Dimmi, molecola, come balli il twist

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Siete destri o mancini? No, non lo stiamo chiedendo direttamente a voi bensì alle molecole di cui siete fatti. Perché conoscere la preferenza delle nostre molecole sembra essere molto più importante rispetto a conoscere la nostra preferenza nello scrivere, se con la mano destra o con quella sinistra. Quando si afferra un oggetto, a seconda della mano che si usa, le dita si avvolgono in un modo o nell’altro intorno all’oggetto afferrato e rendono la presa differente. La proprietà di un oggetto di essere non sovrapponibile alla sua immagine speculare è chiamata chiralità, ed è molto importante nel mondo delle molecole, in quanto due molecole chirali possiedono le medesime proprietà fisiche tranne il potere rotatorio (identico per intensità ma opposto di segno per ognuna di esse). Le molecole chirali mostrano lo stesso comportamento chimico nei confronti di sostanze non chirali mentre la loro interazione chimica nei confronti delle altre molecole chirali è diversa (esattamente come una mano destra, stringendo un’altra mano, riesce a distinguere se la mano stretta è destra o sinistra). Ecco perché la preferenza di una molecola a essere destra o mancina è molto più importante della nostra: alcune sostanze saranno tossiche o benefiche a seconda di quale predisposizione (mirror-twin) è presente nelle molecole. Pertanto, alcune medicine devono contenere esclusivamente la molecola destrorsa o quella mancina.

Il problema a questo punto sta nell’individuare e separare le molecole destrorse da quelle sinistrorse, che si comportano esattamente allo stesso modo a meno che non interagiscano con un altro oggetto chirale. Un gruppo di ricerca internazionale (Celia-Cnrs/Inrs /Max Born Institute di Berlino/Soleil) ha recentemente presentato un nuovo metodo estremamente sensibile nel determinare la chiralità delle molecole.

In seguito all’eccitazione da parte di un impulso laser ultra-corto polarizzato circolarmente, gli elettroni seguono un’elica destra o sinistra in base alla chiralità della struttura molecolare in cui risiedono. Fonte: Samuel Beaulieu

Dal diciannovesimo secolo sappiamo che le molecole possono essere chirali. Forse l’esempio più famoso è il Dna, la cui struttura a doppia elica assomiglia a un cavatappi destrimano. Convenzionalmente, la chiralità viene determinata usando luce polarizzata circolarmente, nella quale il campo elettromagnetico ruota in senso orario o antiorario, formando un “cavatappi” destro o sinistro, con l’asse lungo la direzione del raggio di luce. Questa luce chirale viene assorbita in modo diverso da molecole destrorse o sinistrorse. Tale effetto, tuttavia, è piccolo, perché la lunghezza d’onda della luce è molto più lunga della dimensione di una molecola: il “cavatappi luminoso” è troppo grande per percepire la struttura chirale della molecola in modo efficiente.

Il nuovo metodo è in grado di amplificare notevolmente il segnale chirale. «Il trucco consiste nel lanciare alle molecole un impulso laser polarizzato circolarmente molto corto», spiega Olga Smirnova del Max Born Institute. Questo impulso ha una durata di alcuni decimi di un miliardesimo di secondo, e trasferisce energia agli elettroni nella molecola stimolandoli a percorrere un moto elicoidale lungo un’elica destra o sinistra, a seconda della preferenza della struttura molecolare nella quale gli elettroni risiedono. A questo punto il loro movimento può essere sondato da un secondo impulso laser. Anche questo impulso deve essere di breve durata, per catturare la direzione del movimento degli elettroni e avere abbastanza energia fotonica per far fuoriuscire gli elettroni eccitati dalla molecola. A seconda che gli elettroni si stessero muovendo in senso orario o antiorario, usciranno dalla molecola con la stessa direzione e verso del raggio laser oppure con il verso opposto.

Questa procedura ha consentito ai fisici sperimentali del Celia di determinare la chiralità delle molecole in modo molto efficiente, con un segnale mille volte più forte rispetto al metodo usato comunemente fino ad oggi. Inoltre, questo nuovo metodo potrebbe consentire di avviare reazioni chimiche chirali e seguirle nel tempo: basta solo applicare impulsi laser molto brevi con la giusta frequenza portante. La tecnologia sviluppata è il coronamento della ricerca di base in fisica ed è disponibile solo da poco tempo. Ovviamente potrebbe rivelarsi estremamente utile in altri campi in cui la chiralità svolge un ruolo importante, come la ricerca chimica e farmaceutica. Avendo avuto successo nell’identificare la chiralità delle molecole con il loro nuovo approccio, i ricercatori stanno già pensando di sviluppare un metodo per la separazione laser delle molecole destrorse e sinistrorse.

Per saperne di più:

  • Leggi su Nature Physics l’articolo “Photoexcitation circular dichroism in chiral molecules” di S. Beaulieu, A. Comby, D. Descamps, B. Fabre, G. A. Garcia, R. Géneaux, A. G. Harvey, F. Légaré, Z. Mašín, L. Nahon, A. F. Ordonez, S. Petit, B. Pons, Y. Mairesse, O. Smirnova e V. Blanchet

Fonte: Dimmi, molecola, come balli il twist

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