Comprendere le prime fasi del trasferimento di elettroni nelle molecole organiche
La ridistribuzione ultrarapida dell’energia e della carica elettronica nelle molecole in seguito all’assorbimento della luce può sembrare un aspetto di carattere troppo scientifico per essere rilevante nella vita di tutti i giorni; ciononostante, è proprio questo processo che regola la fotosintesi nelle piante e nei batteri. Inoltre, si tratta del meccanismo di azionamento di sistemi come i pannelli solari, grazie ai quali la luce viene trasformata in elettricità. La possibilità di misurare le dinamiche di trasferimento degli elettroni e delle cariche di questo fenomeno con un’elevatissima risoluzione temporale potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere la meccanica alla base di questi processi, oltre a fornire informazioni preziose su come ingegnerizzare le proprietà di una molecola al fine di controllarle o migliorarle. Tuttavia, ciò che manca è una conoscenza dettagliata delle prime fasi coinvolte nel trasferimento di elettroni e cariche in seguito alla rapida fotoionizzazione; o meglio, questo è ciò che mancava fino a poco tempo fa.
Un nuovo sguardo all’interazione tra nucleo ed elettrone
La ricerca sostenuta dai progetti TOMATTO e LASERLAB-EUROPE, finanziati dall’UE, ha consentito di incrementare la comprensione in merito a questo fenomeno. Come descritto in uno studio pubblicato su «Nature Chemistry», il team si è avvalso di impulsi ultravioletti estremi ad attosecondi (10-18 secondi) per gettare nuova luce sulla dinamica ultraveloce dei sistemi molecolari. «Questo lavoro pionieristico offre una nuova prospettiva sulla complessa interazione esistente tra elettroni e nuclei nelle molecole donatore-accettore, consentendo di compiere significativi progressi nella nostra comprensione dei processi chimici al livello più fondamentale», si legge su una notizia pubblicata sul sito web di TOMATTO. Ai fini della ricerca, il team ha esposto molecole di nitroanilina a impulsi ad attosecondi, il che ha permesso di osservare e analizzare le prime fasi del trasferimento di carica con una precisione senza precedenti. La ricerca ha rivelato che il trasferimento di elettroni dal gruppo amminico donatore ha richiesto meno di 10 femtosecondi (uno di questi è pari a 10-15 di secondo) per essere completato, venendo guidato da un movimento sincronizzato di nuclei ed elettroni. Ciò è stato seguito da un processo di rilassamento che ha avuto luogo su una scala temporale inferiore ai 30 femtosecondi, mentre il pacchetto d’onda nucleare si diffondeva negli stati elettronici eccitati del catione molecolare. Secondo quanto riportato nell’articolo: «I risultati qui descritti rispondono a una domanda fondamentale della chimica in quanto svelano i tempi necessari per trasferire la carica da un’unità donatrice di elettroni al legame chimico adiacente che collega tale unità a un anello benzenico, nonché per realizzare i concomitanti cambiamenti strutturali necessari che si verificano nell’ambito di questo processo. Gli autori ritengono che questi risultati sperimentali e teorici spianeranno la strada a una migliore comprensione dei diagrammi e dei concetti da manuale utilizzati per prevedere la migrazione di carica nelle molecole organiche a livello qualitativo.» Pertanto, lo studio sostenuto da TOMATTO (The ultimate Time scale in Organic Molecular opto-electronics, the ATTOsecond) e LASERLAB-EUROPE (The Integrated Initiative of European Laser Research Infrastructures) non solo approfondisce le conoscenze scientifiche sulla dinamica molecolare, ma apre anche la strada alla realizzazione di futuri progressi nel campo della fisica degli attosecondi. Per maggiori informazioni, consultare: sito web del progetto TOMATTO sito web del progetto LASERLAB-EUROPE
Parole chiave
TOMATTO, LASERLAB-EUROPE, molecola, elettrone, carica, trasferimento, trasferimento di carica