Il primo passo in molte reazioni chimiche guidate dalla luce, come quelli che alimentano la fotosintesi e la visione umana, è un cambiamento nella disposizione degli elettroni di una molecola mentre assorbono l'energia della luce. Questo sottile riarrangiamento apre la strada a tutto ciò che segue e determina come procede la reazione.

Ora gli scienziati hanno visto questo primo passo direttamente per la prima volta, osservando come la nuvola di elettroni della molecola si gonfia prima che uno qualsiasi dei nuclei atomici nella molecola risponda.

Sebbene questa risposta sia stata prevista teoricamente e rilevata indirettamente, questa è la prima volta che viene ripreso direttamente con i raggi X in un processo noto come creazione di filmati molecolari, il cui obiettivo finale è osservare come sia gli elettroni che i nuclei agiscono in tempo reale quando i legami chimici si formano o si rompono.

Ricercatori della Brown University, l'Università di Edimburgo e il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia hanno riportato i loro risultati in Comunicazioni sulla natura oggi.

"Nei film molecolari del passato, siamo stati in grado di vedere come si muovono i nuclei atomici durante una reazione chimica, " ha detto Peter Weber, un professore di chimica alla Brown e autore senior del rapporto. "Ma il legame chimico stesso, che è il risultato della ridistribuzione degli elettroni, era invisibile. Ora la porta è aperta per osservare i legami chimici che cambiano durante le reazioni".

Un modello per importanti reazioni biologiche

Questo è stato l'ultimo di una serie di film molecolari con 1, 3-cicloesadiene, o CHD, una molecola a forma di anello derivata dall'olio di pino. In un gas a bassa pressione le sue molecole galleggiano liberamente e sono facili da studiare, e funge da modello importante per reazioni biologiche più complesse come quella che produce vitamina D quando la luce solare colpisce la pelle.

Negli studi che risalgono a quasi 20 anni fa, gli scienziati hanno studiato come l'anello di CHD si rompe quando la luce lo colpisce, prima con tecniche di diffrazione elettronica, e più recentemente con la "fotocamera elettronica" di SLAC, " MeV-UED, e laser a raggi X a elettroni liberi, la sorgente luminosa coerente Linac (LCLS). Questi e altri studi in tutto il mondo hanno rivelato come procede la reazione nei minimi dettagli.

Quattro anni fa, ricercatori di Brown, SLAC ed Edimburgo hanno utilizzato LCLS per realizzare un film molecolare dell'anello CHD che si separa, - il primo film molecolare mai registrato utilizzando i raggi X. Questo risultato è stato elencato come una delle 75 scoperte scientifiche più importanti emerse da un laboratorio nazionale DOE, accanto a scoperte come la decodifica del DNA e la rilevazione dei neutrini.

Ma nessuno di questi esperimenti precedenti è stato in grado di osservare la fase iniziale di rimescolamento degli elettroni, perché non c'era modo di stuzzicarlo a parte i movimenti molto più grandi dei nuclei atomici della molecola.

Elettroni sotto i riflettori

Per questo studio, un team sperimentale guidato da Weber ha adottato un approccio leggermente diverso:hanno colpito campioni di gas CHD con una lunghezza d'onda della luce laser che ha eccitato le molecole in uno stato che vive per un periodo di tempo relativamente lungo:200 femtosecondi, o milionesimi di miliardesimo di secondo, quindi la loro struttura elettronica potrebbe essere sondata con impulsi laser a raggi X LCLS.

"La diffusione dei raggi X è stata utilizzata per determinare la struttura della materia per più di 100 anni, " ha detto Adam Kirrander, un docente senior a Edimburgo e co-autore senior dello studio, "ma questa è la prima volta che la struttura elettronica di uno stato eccitato è stata osservata direttamente".

La tecnica utilizzata, chiamata diffusione di raggi X non risonante, misura la disposizione degli elettroni in un campione, e il team sperava di catturare i cambiamenti nella distribuzione degli elettroni mentre la molecola assorbiva la luce. La loro misurazione ha confermato questa aspettativa:mentre il segnale degli elettroni era debole, i ricercatori sono stati in grado di catturare inequivocabilmente come la nube di elettroni si è deformata in una più grande, nuvola più diffusa corrispondente ad uno stato elettronico eccitato.

Era fondamentale osservare questi cambiamenti elettronici prima che i nuclei iniziassero a muoversi.

"In una reazione chimica, i nuclei atomici si muovono ed è difficile districare quel segnale dalle altre parti che appartengono a legami chimici che si formano o si rompono, " ha detto Haiwang Yong, un dottorato di ricerca studente alla Brown University e autore principale del rapporto. "In questo studio, il cambiamento nelle posizioni dei nuclei atomici è relativamente piccolo su quella scala temporale, quindi siamo stati in grado di vedere i movimenti degli elettroni subito dopo che la molecola ha assorbito la luce".

Lo scienziato senior dello staff SLAC Michael Minitti ha aggiunto, "Stiamo immaginando questi elettroni mentre si muovono e si spostano. Questo apre la strada a osservare i movimenti degli elettroni dentro e intorno alla rottura e alla formazione dei legami direttamente e in tempo reale; in questo senso è simile alla fotografia".