Per la prima volta, i ricercatori hanno osservato come il bromoformio riorganizza i suoi atomi in meno di un trilionesimo di secondo dopo essere stato colpito da un impulso ultravioletto (UV). La tecnica di imaging ha permesso di catturare un percorso a lungo previsto attraverso il quale la molecola dannosa per l’ozono trasforma la sua struttura quando interagisce con la luce.
L'energia proveniente dai raggi UV del sole induce molti processi chimici sulla Terra. Per comprendere, utilizzare o mitigare i danni causati da queste reazioni chimiche, spesso ultraveloci, è essenziale capire come funzionano a livello atomico. “ Come comunicano tra loro gli elettroni e gli atomi in modo che avvenga una determinata reazione chimica? Bromoform è un sistema modello leader per rispondere a queste domande afferma Oliver Gessner, scienziato senior presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia.
Per decenni, i chimici di tutto il mondo hanno studiato la fotochimica ultravioletta del bromoformio. Questo composto naturale scompone l'ozono nell'atmosfera terrestre ed è prodotto naturalmente dal fitoplancton e dalle alghe marine negli oceani. Secondo la teoria, sotto l'esposizione ai raggi UV subisce due diversi processi: nella dissociazione, un atomo di bromo si separa dal resto della molecola; Nell'isomerizzazione, gli atomi si riorganizzano in una configurazione diversa o isomerica.
« Alcuni sostengono di aver osservato le tracce di questo isomero, ma è stato troppo fugace per essere dimostrato ha affermato Gessner, che dirige il programma di scienze atomiche, molecolari e ottiche nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab. Inoltre, le teorie differiscono notevolmente per quanto riguarda la proporzione di bromoformio che segue ciascun percorso.
In uno studio pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, Gessner e colleghi hanno sviluppato un esperimento che non solo ha confermato questa formazione di isomeri, ma ha anche determinato la proporzione di molecole di bromoformio che subiscono la dissociazione e la proporzione di molecole che formano isomeri.
I ricercatori hanno prima eccitato le molecole gassose di bromoformio con un'esplosione ultraveloce di luce UV (lunghezza d'onda di 267 nanometri), quindi hanno ripreso le molecole eccitate con impulsi elettronici ultracorti utilizzando il sistema di diffrazione elettronica relativistica ultraveloce dello strumento presso lo SLAC National Laboratorio dell'acceleratore. Questo strumento fa parte della sorgente luminosa coerente Linac presso SLAC, un ufficio scientifico per gli utenti del Dipartimento dell'Energia.
« Le molecole decidono in poche centinaia di femtosecondi quale direzione prendere, quindi dovevamo essere più veloci di così “, ha aggiunto il signor Gessner.
Dalle immagini elettroniche, i ricercatori hanno potuto misurare le distanze tra gli atomi all'interno delle molecole di bromoformio e seguire l'evoluzione di queste distanze nel tempo. Dall'analisi è emerso che circa il 60% delle molecole di bromoformio subivano isomerizzazione entro i primi 200 femtosecondi (1 femtosecondo = 1/1.000.000.000.000.000 di secondo) di eccitazione e che tale isomerizzazione persisteva per tutta la durata dell'esperimento da 1,1 picosecondi (1 picosecondo è pari a 1.000 femtosecondi).
« È stato davvero emozionante vedere esattamente la configurazione che alcuni avevano previsto per questo isomero “, ha detto il signor Gessner. Il restante 40% del bromoformio subisce una dissociazione diretta. Questo risultato costituisce un passo importante nella comprensione della fotochimica del bromoformio e della fotochimica indotta dai raggi UV in generale.
« La sequenza dei percorsi chimici influisce sui prodotti chimici finali », e ancora M. Gessner.
La misurazione di riferimento di un tasso di formazione di isomeri a lungo dibattuto consente di perfezionare le teorie che prevedono queste reazioni e i loro prodotti. Inoltre, lo studio dimostra che la tecnica ultraveloce fornisce risposte chiare alle domande riguardanti la velocità della popolazione degli isomeri e la loro durata di vita. Secondo Gessner si tratta di uno strumento molto potente.
Didascalia dell'illustrazione: Un percorso ultraveloce previsto da tempo nella fotochimica UV del bromoformio viene visualizzato per la prima volta mediante diffrazione elettronica risolta nel tempo al femtosecondo. Crediti: Melody Li, Debadarshini Mishra e Lars Hoffmann
Articolo: «Percorsi di reazione indotti dai raggi UV in bromoformio sondati con diffrazione elettronica ultraveloce» – DOI: 10.1021/jacs.4c07165
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