Visualizzare gli orbitali molecolari con l'impiego di impulsi laser

Le molecole sono i microscopici costituenti del mondo che ci circonda; esse sono composte da un insieme di atomi che mettono in comune alcuni dei loro elettroni esterni, formando così dei legami chimici. Sono questi elettroni condivisi, disposti nello spazio secondo una conformazione detta orbitale molecolare, che determinano le proprietà fisiche e chimiche della molecola. Pertanto acquisire un'immagine diretta dell'orbitale è un obiettivo fondamentale in molte branche della scienza, quali fisica, chimica e biologia. La maggior parte degli studi riguardanti il comportamento molecolare non è in grado di visualizzare direttamente questo orbitale, ma si limita a ricavare delle informazioni in modo indiretto. In una ricerca in collaborazione tra il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR è stata messa a punto una tecnica innovativa che consente di visualizzare direttamente l'orbitale di molecole complesse. Questa tecnica, detta Molecular Orbital Tomography (tomografia dell'orbitale molecolare), si basa sull'impiego di impulsi laser estremamente intensi e di durata assai breve, dell'ordine di decine di femtosecondi (1 fs = 10-15 secondi). Il procedimento è simile alla TAC (Tomografia Assiale Computeriz- zata) impiegata in ambito medico, che si basa sull'acquisizione di molteplici radiografie del paziente prese a diversi angoli per ricostruire in 3 dimensioni la struttura del corpo. Analogamente, le differenti "immagini" necessarie per la ricostruzione dell'orbitale sono ottenute allineando nello spazio le molecole con un primo impulso laser; un secondo impulso libera un elettrone della molecola, lo accelera e lo fa ricollidere con essa. Nella collisione si ottiene emissione di radiazione ultravioletta che porta con sé informazioni sulla forma dell'orbitale. Dall'acquisizione degli spettri ultravioletti per diversi orientamenti delle molecole è quindi possibile ricostruire la struttura completa dell'orbitale molecolare. La dimostrazione di principio è stata effettuata acquisendo, per la prima volta, un'immagine diretta dell'orbitale molecolare dell'anidride carbonica (CO2). La tecnica può essere impiegata per seguire in tempo reale il modo in cui l'orbitale molecolare cambia conformazione quando la molecola viene sollecitata; ciò sarebbe di notevole interesse per comprendere completamente il modo in cui le molecole interagiscono col mondo circostante, con ripercussioni notevoli sia in chimica che in biologia.

Autori: C. Vozzi, M. Negro, F. Calegari, G. Sansone, M. Nisoli, S. De Silvestri, S. Stagira

Titolo: Generalized molecular orbital tomography

Rivista: Nature Physics

Anno: 2011

Riferimenti bibliografici: 7 (2011) pp. 822-826