Liquidi e soluzioni sono ovunque: dall’acqua che beviamo all’interno delle cellule del nostro corpo. Eppure, nonostante la loro importanza cruciale in chimica e biologia, i liquidi restano tra i sistemi più difficili da studiare a livello microscopico. Il motivo è semplice: a differenza dei solidi non hanno una struttura fissa, e le interazioni fondamentali avvengono su scale temporali estremamente rapide, ben oltre le capacità delle tecniche di osservazione tradizionali.
Un nuovo studio condotto da ricercatori della Ohio State University e della Louisiana State University ha dimostrato che la spettroscopia ad alte armoniche (High-Harmonic Spectroscopy, HHS) può finalmente aprire una finestra diretta su questi processi ultraveloci nei liquidi. Il lavoro è stato pubblicato su PNAS.
Perché i liquidi sono così difficili da studiare
A livello molecolare, un liquido è un sistema dinamico: le molecole si muovono, ruotano, si riorganizzano di continuo. Le interazioni più importanti – come quelle tra un soluto e il suo solvente – avvengono su scale temporali dell’ordine degli attosecondi, cioè un miliardesimo di miliardesimo di secondo.
Le tecniche spettroscopiche tradizionali, pur essendo molto utili e non invasive, operano su tempi molto più lunghi e forniscono quindi solo una visione “media” del sistema. In pratica, vediamo il risultato finale, ma non il processo mentre avviene.
Cos’è la spettroscopia ad alte armoniche
La HHS è una tecnica ottica non lineare che utilizza impulsi laser estremamente brevi e intensi e questi impulsi strappano temporaneamente un elettrone da una molecola; quando l’elettrone ritorna, emette luce ad alta energia (armoniche) che contiene informazioni dettagliatissime sul movimento degli elettroni e persino dei nuclei atomici.
Il punto di forza della HHS è la risoluzione temporale: consente di osservare direttamente la dinamica elettronica su scale di tempo irraggiungibili per i metodi convenzionali.
Il problema dei liquidi (e come è stato risolto)
Finora, la HHS era stata applicata quasi esclusivamente a gas e solidi. I liquidi presentano due grandi difficoltà:
- Assorbono fortemente la luce armonica, riducendo il segnale misurabile.
- La loro natura disordinata e dinamica rende l’interpretazione dei segnali estremamente complessa.
Il team di ricerca ha superato questi ostacoli sviluppando un film liquido ultrasottile, una sorta di “foglio” di liquido che permette alla luce generata di fuoriuscire prima di essere riassorbita. Questo accorgimento ha reso possibile, per la prima volta, osservare direttamente la generazione di alte armoniche in soluzioni liquide.
L’esperimento: miscele semplici, risultato inaspettato
Per testare il nuovo approccio, i ricercatori hanno studiato miscele di metanolo con piccole quantità di alobenzeni (molecole quasi identiche che differiscono solo per un atomo: fluoro, cloro, bromo o iodio).
L’idea era semplice: gli alobenzeni producono segnali armonici molto forti, mentre il metanolo funge da sfondo “pulito”. Ci si aspettava quindi un comportamento prevedibile, una semplice somma dei contributi dei due liquidi.
Questo è avvenuto in quasi tutti i casi tranne uno.
La miscela fluorobenzene–metanolo ha mostrato un comportamento radicalmente diverso:
- emissione complessiva di luce più bassa rispetto ai singoli componenti
- scomparsa completa di una specifica armonica
Un effetto di questo tipo è estremamente raro e indica una interferenza distruttiva, causata da un’interazione molecolare molto specifica.
La spiegazione: una “stretta di mano” molecolare
Le simulazioni teoriche hanno rivelato che il fluorobenzene non si distribuisce casualmente nel metanolo come gli altri alobenzeni. L’elevata elettronegatività del fluoro favorisce la formazione di un legame a idrogeno con il gruppo O–H del metanolo.
Il risultato è una struttura di solvatazione più ordinata, una sorta di “stretta di mano” molecolare che modifica l’ambiente elettronico locale.
Questo ambiente crea una barriera contro cui gli elettroni accelerati dal laser diffondono, alterando il processo di generazione delle armoniche fino a sopprimerne una completamente.
Un aspetto chiave è che l’effetto è estremamente sensibile alla posizione di questa barriera: la perdita selettiva di una singola armonica contiene quindi informazioni dirette sulla struttura locale del liquido.
Perché questa scoperta è importante
Molti dei processi fondamentali della chimica, della biologia e persino della medicina avvengono in ambiente liquido. Inoltre, le energie elettroniche coinvolte sono simili a quelle responsabili dei danni da radiazione nei tessuti biologici.
Poter osservare come gli elettroni si muovono e diffondono in liquidi densi significa:
- comprendere meglio le reazioni chimiche fondamentali
- migliorare i modelli di interazione radiazione–materia
- aprire nuove strade nella scienza dei materiali e nella biofisica
Questo studio dimostra che la HHS in fase liquida non è solo possibile, ma sensibile alle interazioni locali tra soluto e solvente, offrendo uno strumento completamente nuovo per esplorare la chimica ultrarapida.
Uno sguardo al futuro
Siamo solo agli inizi, ma il potenziale è enorme. Con il miglioramento delle tecniche sperimentali e dei modelli teorici, la spettroscopia ad alte armoniche potrebbe diventare uno degli strumenti chiave per osservare ciò che, fino a ieri, era letteralmente invisibile: la chimica mentre accade.
