Controllare le sostanze chimiche a nostro piacimento
Nell’ambito del progetto dell’UE ATTOCHEM, il dott. Matthias Kübel dell’Università Ludwig Maximilian di Monaco ha compiuto importanti progressi nell’utilizzo dei laser per la ricerca sulle reazioni chimiche. Sostenuto dal programma Marie Curie, il dott. Kübel ha trascorso due anni al Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) di Ottawa, in Canada, svolgendo ricerche sugli elettroni e sui nuclei in azione nel corso di reazioni fotochimiche innescate dall’assorbimento della luce. Ha inoltre esplorato alcuni modi di manipolare le molecole. Il dott. Kübel ritiene che le sue attività di ricerca siano d’aiuto per il raggiungimento dell’obiettivo di acquisire una migliore comprensione del movimento degli elettroni nel corso di reazioni fotochimiche quali la fotosintesi nelle piante, i danni al DNA e il processo della visione all’interno dell’occhio umano. Una migliore comprensione di questi eventi potrebbe contribuire a conseguire il controllo di tali reazioni chimiche e, di conseguenza, a compiere scoperte fondamentali per quanto concerne l’inibizione dei danni al DNA che sono in grado di provocare il cancro o lo sviluppo di nuove fonti di energia verde. «È possibile considerare le biomolecole come piccole macchine che adempiono un determinato compito», spiega. «Le macchine si azionano quando uno (o diversi) dei loro elettroni viene eccitato, il che ne origina il moto, una corrente all’interno della molecola. Fino ad oggi siamo stati in grado di visualizzare la struttura delle nostre piccole macchine, ma le opportunità di vederle effettivamente in azione sono state scarse». Presso il laboratorio del CNR, Il dott. Kübel ha sviluppato un metodo per vedere queste piccole macchine in azione e per riprendere le dinamiche nucleari e degli elettroni alla base di veloci reazioni chimiche. Si è trattato di una vera e propria impresa, dato che gli elettroni si muovono molto rapidamente: di solito, con velocità la cui durata si misura nell’ordine dei femto o persino degli attosecondi (0,000000000000000001 secondi: un attosecondo sta a un secondo come un secondo sta all’età dell’universo). Nel suo lavoro, il dott. Kübel ha sviluppato un nuovo tipo di fotocamera a traccia continua che consente di effettuare misurazioni sulla scala degli attosecondi del moto degli elettroni in forti campi laser, un metodo da lui denominato tecnica STIER. Le più brevi scale temporali in natura Una fotocamera a traccia continua convenzionale contiene un paio di piastre su cui viene applicata una tensione in rapido mutamento. La tensione variabile è utilizzata per diffondere un segnale dipendente dal tempo su un rilevatore sensibile alla posizione, mappando tempo e spazio. Per le finalità del dott. Kübel, tuttavia, questo metodo non era abbastanza rapido, per cui ha sostituito la tensione in mutamento con un campo laser a infrarossi. «Il campo elettrico varia in modo ben controllato, più di 1 000 volte più velocemente rispetto a quanto si può ottenere con l’elettronica convenzionale», afferma. Così facendo, il dottore di ricerca è riuscito a mappare la dipendenza dal tempo della ionizzazione a campo forte sulla velocità finale dei fotoelettroni. Li ha poi misurati con uno spettrometro per fotoelettroni in grado di effettuare misurazioni sulla scala degli attosecondi. ATTOCHEM, oltre a consentire l’osservazione del moto delle molecole, ha dimostrato che la tecnica STIER potrebbe costituire un modo per modificare transitoriamente il modo in cui una molecola viene tenuta insieme. «Possiamo manipolare la relazione per cui determinate geometrie fanno dividere una molecola e altre non lo fanno», afferma il dott. Kübel. «Abbiamo messo in pratica questa possibilità per una molecola semplicissima, quella dell’idrogeno, e i risultati si sono rivelati piuttosto sorprendenti e molto diversi da quanto è stato osservato in precedenza». Il dott. Kübel ha inoltre esteso il proprio metodo a legami separati in modo selettivo nel gas acetilene. Il dottore di ricerca è entusiasta di continuare la propria ricerca su molecole più complesse in Germania: «Sviluppare nuove sostanze chimiche e scoprire nuovi percorsi di reazione applicando la luce laser è il sogno della manipolazione coerente».
Parole chiave
ATTOCHEM, elettroni, molecole, fotocamera a traccia continua, reazioni chimiche, DNA, fotosintesi