Osservare una reazione chimica significa riuscire a distinguere passaggi che avvengono in tempi brevissimi. Un gruppo internazionale guidato dal Politecnico di Milano, con il Cnr-Ifn, la Heriot-Watt University di Edimburgo e l’Università di Bologna, ha sviluppato un apparato sperimentale con una risoluzione temporale di tre femtosecondi. Per dare un’idea della scala, un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo. La piattaforma si colloca così ai vertici mondiali della spettroscopia di fotoelettroni. Lo studio, realizzato nell’ambito del progetto europeo ERC Synergy TOMATTO, è stato pubblicato su Nature Communications.
«Con questo apparato possiamo seguire una molecola nei primissimi istanti dopo l’assorbimento della luce, con un livello di dettaglio che prima non era accessibile – spiega il professor Mauro Nisoli, coordinatore del progetto ERC Synergy TOMATTO -. È come aumentare enormemente il numero di fotogrammi di un film: una trasformazione apparentemente unica rivela finalmente tutti i suoi passaggi intermedi».
L’esperimento
Il sistema utilizza due impulsi luminosi sincronizzati con estrema precisione. Il primo, ultravioletto, colpisce la molecola e ne avvia l’evoluzione. Il secondo, nell’estremo ultravioletto e della durata di pochi attosecondi, ne rileva lo stato energetico in un determinato istante. Ripetendo la misura con ritardi diversi tra i due impulsi, i ricercatori ricostruiscono come si riorganizza l’energia e come si muovono elettroni e nuclei; come con una pellicola cinematografica, dove aumentare esponenzialmente il numero dei fotogrammi permette di vedere i passaggi intermedi che prima sfuggivano all’osservazione.
La prova è arrivata studiando l’acetilacetone, una molecola usata come modello per comprendere i processi fotochimici. Lo strumento ha permesso di distinguere due fasi successive del passaggio attraverso un’intersezione conica. Si tratta di uno snodo che riorganizza lo stato elettronico e orienta il percorso della molecola. I due eventi, che gli strumenti precedenti non riuscivano a separare nel tempo, sono diventati distinguibili.
La piattaforma permette inoltre di modificare la lunghezza d’onda dell’impulso ultravioletto, così da studiare molecole e stati elettronici differenti. Le applicazioni future comprendono sistemi complessi di interesse biologico, materiali fotoattivi e processi di conversione dell’energia. Si aprono prospettive anche per l’attochimica, che punta a guidare le trasformazioni chimiche intervenendo sul moto degli elettroni, prima che cominci il movimento più lento degli atomi.
