Un team internazionale di ricercatori ha compiuto un importante passo avanti nella spettroscopia molecolare di precisione, riuscendo per la prima volta a osservare direttamente le vibrazioni di singole molecole di idrogeno (H₂) e deuterio (D₂) all’interno di una picocavità, ovvero uno spazio incredibilmente piccolo, più piccolo di un nanometro.
Lo studio, guidato da Akitoshi Shiotari del Fritz Haber Institute (Germania), Mariana Rossi del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (Germania), e Takashi Kumagai dell’Institute for Molecular Science (Giappone), ha utilizzato una tecnica avanzata chiamata spettroscopia Raman potenziata da punta (TERS). Questa tecnica sfrutta una punta metallica nanoscopica per concentrare la luce in uno spazio così ristretto da permettere l’analisi di singole molecole.
La scoperta: l’idrogeno cambia, il deuterio no
I ricercatori hanno intrappolato H₂ e D₂ tra una nanotip in argento e un cristallo d’argento, mantenendo il tutto in condizioni criogeniche e di ultra-alto vuoto; manipolando con precisione la distanza tra punta e superficie, hanno osservato che solo l’idrogeno cambiava significativamente il proprio spettro vibrazionale. Il deuterio, che differisce dall’idrogeno solo per la massa (ha un neutrone in più), non mostrava variazioni.
Questo fenomeno, definito effetto isotopico quantistico, è talmente sottile che sarebbe impossibile da cogliere con tecniche spettroscopiche convenzionali, dove si analizzano medie su grandi quantità di molecole. Qui invece, l’analisi avviene molecola per molecola, con una precisione mai raggiunta prima.
Le simulazioni: la meccanica quantistica in azione
Per spiegare l’anomalia, il team ha realizzato simulazioni avanzate basate su teoria del funzionale della densità (DFT), dinamica molecolare quantistica (PIMD) e modelli Hamiltoniani.
I risultati hanno mostrato che in spazi così stretti, gli effetti quantistici dei nuclei atomici diventano dominanti: le molecole non stanno ferme, ma “oscillano” in modo diverso a seconda della loro massa, modificando così le loro posizioni di equilibrio.
“Siamo rimasti colpiti da quanto profondamente questi effetti quantistici possano cambiare il comportamento molecolare”, ha commentato la dott.ssa Mariana Rossi.
Perché è importante?
Oltre a rappresentare un traguardo tecnologico e scientifico, questo studio potrebbe avere applicazioni concrete nei settori dell’immagazzinamento dell’idrogeno, della catalisi chimica e delle tecnologie quantistiche su scala molecolare; secondo il prof. Kumagai, “le tecniche sviluppate potrebbero contribuire allo sviluppo di nuovi sensori, reattori catalitici e dispositivi fotonici per la prossima generazione.”
Punti chiave in breve
Di seguito ecco l’elenco i chiave:
- Osservate singole molecole di H₂ e D₂ in spazi picometrici.
- L’idrogeno cambia comportamento, il deuterio no: scoperto un effetto isotopico quantistico.
- Studio guidato da team giapponese-tedesco con strumenti Raman avanzati.
- Potenziali applicazioni in idrogeno, catalisi e tecnologie quantistiche.
