Tutorial: come costruire una molecola isolata a partire da 2 atomi

La reazione chimica più controllata al mondo, eseguita da un gruppo di ricerca della Harvard University, è consistita nell’unione di due atomi per ottenere una singola molecola isolata. Lo studio su Science Journal.

Quando avviene una reazione chimica in laboratorio, quello che si sta facendo è mescolare un numero enorme di particelle sperando che queste collidano tra di loro: solo così queste particelle possono unirsi, e solo se l’unione avviene in maniera produttiva. Ciò significa che il procedimento è, di fatto, stocastico, e quindi si ha poco controllo delle singole particelle che compongono i reagenti. Usando un microscopio ad effetto tunnel* è possibile compiere questa operazione in maniera più controllata, ma comunque trattando una superficie di particelle, e non singole particelle.

Un nuovo studio di L.R. Liu e colleghi dell’università di Harvard propone un metodo per utilizzare la luce per manipolare direttamente atomi singoli e formare singole molecole isolate. In particolare, Liu et al. hanno usato un atomo di Sodio (Na) ed uno di Cesio (Cs), avvicinati ed eccitati otticamente per fornire la necessaria energia di legame e formare così una molecola di Cesio Sodico (NaCs). Ad oggi, si tratta della reazione chimica più controllata mai eseguita.

L’apparato sperimentale intrappolava i due atomi, portati a bassissime temperature (molto vicine allo zero assoluto) per mantenerli il più fermi possibile, in due separate “pinzette ottiche“. Queste sono dei dispositivi che tengono le particelle in sospensione su un raggio laser. Da qui, le due pinzette facevano avvicinare gli atomi in una singola trappola, dove gli atomi veniva illuminati con un terzo laser, dando luogo ad un processo di fotoassociazione per generare una molecola di NaCs eccitata.

Uno studio di questo tipo fornisce fondamentali strumenti per studi futuri riguardo al comportamento di particelle isolate e degli atomi durante un urto, e potrebbe fornire le basi per innovazioni tecnologiche rilevanti nel prossimo futuro.

*Un microscopio ad effetto tunnel (STM) sfrutta il fatto che in meccanica quantistica un atomo può trovarsi, per una pura ragione probabilistica, dall’altra parte di una barriera di potenziale. Questa cosa dal punto di vista della meccanica classica sarebbe invalicabile, se la particella non ha energia sufficiente. Se si vuole esaminare una superficie di atomi, gli elettroni possono passarvi attraverso per effetto tunnel quando si applica una piccola differenza di potenziale tra la superficie ed una punta conduttrice del microscopio. Lo studio degli elettroni che passa attraverso questa superficie permette quindi di analizzarla.

Fonte: Science

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