Spesso raffigurati come palloncini colorati o nuvole, gli orbitali elettronici forniscono informazioni sulla posizione degli elettroni nelle molecole, un po' come le istantanee sfocate. Per comprendere lo scambio di elettroni nelle reazioni chimiche, non è solo importante conoscere la loro distribuzione spaziale ma anche il loro movimento nel tempo. Scienziati di Julich, Marburgo, e Graz hanno ora compiuto enormi progressi in questa direzione:hanno registrato con successo immagini orbitali con una risoluzione temporale estremamente elevata.

"Per decenni, la chimica è stata governata da due obiettivi ambiziosi, "dice il professor Stefan Tautz, capo del subistituto di nanoscienze quantistiche al Forschungszentrum Jülich. "Uno di questi è comprendere le reazioni chimiche direttamente dalla distribuzione spaziale degli elettroni nelle molecole, mentre l'altro sta tracciando la dinamica degli elettroni nel tempo durante una reazione chimica." Entrambi questi obiettivi sono stati raggiunti in scoperte rivoluzionarie separate in chimica:la teoria degli orbitali molecolari di frontiera ha spiegato il ruolo della distribuzione degli elettroni nelle molecole durante le reazioni chimiche, mentre la spettroscopia a femtosecondi ha permesso di osservare gli stati di transizione nelle reazioni. "È stato a lungo un sogno della chimica fisica combinare questi due sviluppi e quindi tracciare gli elettroni in una reazione chimica nel tempo e nello spazio".

Gli scienziati hanno ora compiuto un enorme passo avanti verso il raggiungimento di questo obiettivo:hanno osservato i processi di trasferimento di elettroni in un'interfaccia metallo-molecola nello spazio e nel tempo. Tali interfacce sono al centro della ricerca nel Collaborative Research Center 1083 della Fondazione tedesca per la ricerca presso la Philipps-Universität Marburg, e sono stati gli esperimenti condotti qui che hanno portato alla pubblicazione di oggi. "Le interfacce inizialmente sembrano essere non più di due strati affiancati, mentre sono di fatto il luogo dove nascono le funzioni dei materiali. Svolgono quindi un ruolo determinante nelle applicazioni tecnologiche, "dice Ulrich Höfer, professore di fisica sperimentale alla Philipps-Universität Marburg e portavoce del centro di ricerca collaborativa. Nelle celle solari organiche, Per esempio, la combinazione di materiali diversi in corrispondenza di un'interfaccia migliora la scissione degli stati eccitati dalla luce incidente, permettendo così all'elettricità di fluire. Le interfacce svolgono anche un ruolo chiave nei display a diodi organici a emissione di luce (OLED) utilizzati negli smartphone, Per esempio.

L'approccio sperimentale utilizzato dagli scienziati si basa su una scoperta fatta alcuni anni fa nella spettroscopia molecolare:la tomografia orbitale a fotoemissione, che a sua volta si basa sul noto effetto fotoelettrico. "Qui, uno strato di molecole su una superficie metallica è bombardato da fotoni, o particelle di luce, che eccita gli elettroni e ne fa liberare, " afferma il professor Peter Puschnig dell'Università di Graz. "Questi elettroni rilasciati non si limitano a volare nello spazio, ma - ed è questo il punto decisivo - in base alla loro distribuzione angolare e distribuzione di energia, forniscono una buona indicazione della distribuzione spaziale degli elettroni negli orbitali molecolari".

"Il risultato chiave del nostro lavoro è che possiamo visualizzare i tomogrammi orbitali con una risoluzione ultraelevata nel tempo, "dice il dottor Robert Wallauer, capogruppo e assistente di ricerca presso la Philipps-Universität Marburg. Fare così, gli scienziati non solo hanno usato laser speciali con impulsi ultracorti nell'intervallo dei femtosecondi per eccitare gli elettroni nelle molecole; hanno anche utilizzato un nuovo microscopio a impulsi che misurava simultaneamente la direzione e l'energia degli elettroni rilasciati con una sensibilità molto elevata. Un femtosecondo è 10 ^-15 secondi:un milionesimo di miliardesimo di secondo. In relazione a un secondo, questo è appena un secondo in relazione a 32 milioni di anni. Tali impulsi brevi sono come una specie di luce stroboscopica e possono essere utilizzati per scomporre processi veloci in singole immagini. Ciò ha permesso ai ricercatori di tracciare il trasferimento di elettroni come al rallentatore. "Questo ci ha permesso di tracciare spazialmente i percorsi di eccitazione degli elettroni quasi in tempo reale, " dice Tautz. "Nel nostro esperimento, un elettrone è stato prima eccitato dal suo stato iniziale in un orbitale molecolare non occupato da un primo impulso laser prima che un secondo impulso laser gli permettesse di raggiungere finalmente il rivelatore. Non solo abbiamo potuto osservare questo processo in dettaglio nel tempo, ma i tomogrammi ci hanno anche permesso di tracciare chiaramente da dove provenivano gli elettroni."

"Crediamo che i nostri risultati rappresentino un passo avanti cruciale verso l'obiettivo di tracciare gli elettroni attraverso reazioni chimiche nello spazio e nel tempo, " afferma Ulrich Höfer. "Oltre alle conoscenze fondamentali sulle reazioni chimiche e sui processi di trasferimento di elettroni, questi risultati avranno anche implicazioni molto pratiche. Aprono innumerevoli possibilità per l'ottimizzazione di interfacce e nanostrutture e dei processori risultanti, sensori, mostra, celle solari organiche, catalizzatori, e potenzialmente anche applicazioni e tecnologie a cui non abbiamo ancora pensato."

Lo studio è pubblicato su Scienza .