Movimenti di elettroni in un liquido misurati con il super slow motion

Per capire come iniziano le reazioni chimiche, da anni i chimici studiano i primissimi istanti di una reazione utilizzando esperimenti al rallentatore. Oggi è possibile effettuare misure con una risoluzione di qualche decina di attosecondi. Un attosecondo è il 10¹⁸-La parte più piccola di un secondo, cioè un milionesimo di milionesimo di milionesimo di secondo.

"In queste prime decine di attosecondi di una reazione, è già possibile osservare come gli elettroni si spostano all'interno delle molecole", spiega Hans Jakob W?rner, professore presso il Laboratorio di chimica fisica dell'ETH di Zurigo. "In seguito, nel corso di circa 10.000 attosecondi o 10 femtosecondi, le reazioni chimiche portano a movimenti degli atomi e persino alla rottura dei legami chimici".

Cinque anni fa, l'ETH è stato uno dei primi scienziati a rilevare i movimenti degli elettroni nelle molecole sulla scala degli attosecondi. Tuttavia, in precedenza tali misurazioni potevano essere effettuate solo su molecole in forma gassosa, perché si svolgevano in una camera ad alto vuoto.

Trasporto dal liquido ritardato

Grazie alla costruzione di un nuovo apparecchio di misurazione, W?rner e i suoi collaboratori sono riusciti a rilevare tali movimenti nei liquidi. I ricercatori hanno utilizzato la fotoemissione dell'acqua, in cui irradiano le molecole d'acqua con la luce, causando l'espulsione di elettroni da esse. Gli scienziati possono misurare questi elettroni. "Abbiamo scelto questo processo per la nostra indagine perché gli impulsi laser permettono di avviarlo con estrema precisione in termini di tempo", spiega W?rner.

Le nuove misurazioni hanno avuto luogo anche in un vuoto spinto. W?rner e il suo team hanno utilizzato un getto di liquido sottile 25 micrometri, che hanno iniettato nella camera di misura. Gli scienziati hanno potuto misurare che gli elettroni vengono espulsi dalle molecole d'acqua in forma liquida 50-70 attosecondi più tardi rispetto alle molecole d'acqua in forma di vapore. La differenza di tempo è dovuta al fatto che le molecole in forma liquida sono circondate da altre molecole d'acqua, che hanno un effetto di ritardo misurabile sulla singola molecola.

Passo importante

"I movimenti degli elettroni sono gli eventi chiave delle reazioni chimiche. Ecco perché è così importante misurarli su una scala temporale ad alta risoluzione", spiega W?rner. "Il passaggio dalle misurazioni nei gas a quelle nei liquidi è particolarmente importante perché la maggior parte delle reazioni chimiche e soprattutto i processi biochimici più interessanti avvengono nei liquidi".

Tra questi ultimi, vi sono numerosi processi che, come la fotoemissione dell'acqua, sono innescati dalla radiazione luminosa. Tra questi, la fotosintesi nelle piante, i processi biochimici sulla retina che ci permettono di vedere e i danni al DNA causati dai raggi X o da altre radiazioni ionizzanti. Con l'aiuto delle misurazioni degli attosecondi, nei prossimi anni gli scienziati dovrebbero essere in grado di acquisire nuove conoscenze su queste reazioni.