L’assorbimento della luce avvia molti processi chimici naturali e artificiali, ad esempio la fotosintesi nelle piante, la visione umana o persino la stampa 3D. Fino ad ora sembrava impossibile controllare una reazione chimica guidata dalla luce su scala atomica, dove viene colpita solo una parte specifica di una molecola.
Il nostro team internazionale di scienziati ha trovato una soluzione a questo problema utilizzando la concentrazione della luce in un volume su scala atomica all’apice di una punta metallica. Siamo stati in grado di indurre la commutazione di due atomi di idrogeno in una molecola, un processo chiamato tautomerizzazione, e di controllare la velocità della reazione e il suo esito puntando la luce su diverse parti della molecola.
La nostra ricerca è pubblicata sulla rivista Nature Nanotechnology . In futuro, questa strategia potrebbe essere utilizzata per sintetizzare nuovi composti chimici con proprietà controllate con precisione atomica.
La visione inizia con molecole retiniche che assorbono la luce che colpisce l'occhio. L'energia raccolta dai fotoni viene immagazzinata per un brevissimo periodo nella molecola e può essere utilizzata per avviare una reazione chimica, in questo caso l'isomerizzazione, un cambiamento nella configurazione degli atomi e dei legami.
I composti circostanti rilevano questa modificazione della forma della retina, che porta ad una cascata di eventi eventualmente rilevati dal nostro cervello. Altre reazioni chimiche indotte dalla luce sono importanti in meccanismi come la fotosintesi nelle piante o la fotopolimerizzazione utilizzata sia nell'industria dei semiconduttori per l'incisione che per la stampa 3D.
Anche se le fotoreazioni svolgono un ruolo determinante sia in natura che nell'industria, studiare e controllare tali trasformazioni chimiche nell'unità più elementare, ovvero una singola molecola che interagisce con la luce, è estremamente difficile.
Nel caso normale, la luce interagirà con molte molecole contemporaneamente perché le lunghezze d'onda dei fotoni visibili (400–800 nm) sono due ordini di grandezza maggiori della dimensione di una normale molecola otticamente attiva (1–4 nm). La tipica microscopia ottica non è sufficiente per ottenere tale precisione nell'indagine dell'interazione tra luce e materia.
Superare questo problema e poter sperimentare una reazione fotochimica con precisione sub-nanometrica era l'obiettivo del nostro team internazionale con sede in Francia, Repubblica Ceca e Germania.
Affrontiamo questo problema sfruttando la capacità delle punte molto affilate del microscopio a scansione ad effetto tunnel (STM), con un solo atomo all'apice, di concentrare la luce laser fino alla scala sub-nanometrica. Queste punte metalliche agiscono in modo simile alle normali antenne a radiofrequenza, tranne per il fatto che funzionano nelle frequenze ottiche dello spettro elettromagnetico.
Traiamo vantaggio da questo effetto e lo usiamo per guidare una reazione fotochimica, che studiamo non solo su una singola molecola ma anche su una sua sottoparte. Spostando la punta dell'STM, possiamo spostare con precisione il punto luminoso subnanometrico in diverse posizioni sopra la molecola e osservare come questo influenza la velocità di reazione.
Questa precisione è possibile perché il nostro STM funziona in vuoto ultra-alto, che mantiene il nostro sistema libero da qualsiasi contaminazione, e a temperature molto basse (quasi -270°C), in modo che le molecole non si muovano sulla superficie.
Abbiamo studiato una reazione chiamata tautomerizzazione, una forma speciale di isomerizzazione in cui gli atomi di idrogeno cambiano posizione. Nel nucleo di una molecola di ftalocianina, che abbiamo utilizzato nel nostro studio, due idrogeni tautomerizzano all'unisono (vedere le frecce nella figura sopra).
Controlliamo la frequenza con cui questi atomi cambiano spostando la punta su diverse parti della molecola (vedi l'animazione) e cambiando il colore della luce che usiamo per l'illuminazione. Possiamo persino rilevare la luce emessa dalla nostra ftalocianina, che ci consente di visualizzare otticamente la molecola con precisione su scala atomica e imparare di più sui meccanismi di tautomerizzazione.
Il nostro approccio fotochimico su scala atomica è molto promettente per il futuro. Si può facilmente immaginare di utilizzare questa strategia per sintetizzare molecole che non potrebbero essere ottenute altrimenti. Ciò potrebbe essere fatto spostando la punta che funge da sorgente di luce su scala atomica per, ad esempio, fotopolimerizzare solo le subunità molecolari selezionate una per una.
Questa storia fa parte di Science X Dialog, dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati. Visita questa pagina per informazioni su ScienceX Dialog e su come partecipare.
Ulteriori informazioni: Anna Rosławska et al, Controllo su scala submolecolare della fototautomerizzazione, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01622-4
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
La Dott.ssa Anna Roslawska è leader del gruppo di ricerca presso l'Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido di Stoccarda, in Germania.
