MILANO – L’analisi delle dinamiche alla base della ionizzazione dell'acqua è un’attività fondamentale per comprendere numerosi processi e reazioni chimiche. Grazie alla tecnologia sono stati fatti numerosi passi in avanti e, oggi, è possibile esplorare, con maggiore precisione, i meccanismi di questo processo che è alla base di molte reazioni chimiche. La ionizzazione, infatti, è osservabile in moltissime attività e ha un ruolo chiave in molteplici applicazioni concrete che, solo per fare qualche esempio, vanno dalla radioterapia fino alla corrosione delle scorie nucleari.
La diffrazione elettronica alla base di questa scoperta
A condurre la ricerca* è stato Matthias Ihme della Stanford University insieme a Ming-Fu Lin e Xijie Wang dello SLAC National Accelerator Laboratory in California. Il team ha utilizzato un apparecchio per la diffrazione elettronica ultraveloce “megaelectronvolt” per generare un fascio di elettroni mirato a un campione di acqua liquida. Mentre il campione veniva riscaldato e ionizzato da impulsi laser ad alta energia, l’apparecchiatura ha potuto scattare diverse “istantanee” dei modelli di diffrazione risultanti dagli elettroni che si disperdono sulle molecole mentre vengono ionizzate.
La prima immagine della separazione della coppia radicale-catione
Per la prima volta gli scienziati hanno potuto trasformare in immagini e misurare un passaggio fondamentale, estremamente fugace, nel processo della ionizzazione dell'acqua e cioè la creazione del complesso idrossile-idronio OH(H3O+), una coppia formata da un radicale e un catione, prima che, un centinaio di miliardesimo di secondo dopo, questa si separi. In questo modo i ricercatori hanno potuto misurare cambiamenti infinitesimali nei legami tra gli atomi di idrogeno e ossigeno del campione, cosa che non poteva essere determinata invece dalla spettroscopia a raggi X.
Una scoperta infinitesimale ma fondamentale
I risultati hanno confermato quella che, fino ad ora, era solo una descrizione teorica del complesso radicale-catione previsto dalle simulazioni di dinamica molecolare: dalle immagini istantanee è infatti emerso che la coppia idrossile-idronio vive solo per circa 100 femtosecondi, formandosi circa 140 fs dopo che un campione è stato ionizzato e dissociandosi in radicali idrossili separati e cationi idronio entro 250 fs. A testimonianza che questo processo è più veloce di una delle reazioni biochimiche indotte dalla luce mai registrate che misura “solo” 200 femtosecondi.
Diffrazione o Raggi X?
Nei precedenti esperimenti, Young e i suoi colleghi avevano utilizzato la spettroscopia a raggi X per studiare lo ione H2O+ creato durante la ionizzazione dell'acqua. Nell’analisi dei processi molecolari il metodo della diffrazione elettronica consente una risoluzione spaziale più precisa rispetto ai raggi X, ma non è altrettanto efficace nell’analizzare periodi di tempo molto piccoli. Oggi, grazie alla combinazione della spettroscopia a raggi X e dei dati sulla diffrazione, è possibile comprendere meglio questo importante processo alla base di numerose reazioni chimiche.
Di Salvatore Galeone
Bibliografia:
* Imaging the short-lived hydroxyl-hydronium pair in ionized liquid water; Science; 1 Oct 2021
