11/01/2023
Un team di ricerca internazionale del quale fanno parte anche ricercatori italiani dell'Istituto per i processi chimico fisici (IPCF) del Consiglio nazionale delle ricerche, aggiunge un importante tassello alla comprensione e al controllo dei processi chimici che avvengono in presenza di campi elettromagnatici.
Lo studio, pubblicato su Nature Communications, è guidato dal Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter di Amburgo (Germania): esso si colloca nell’ambito della chimica polaritonica, il settore che studia come manipolare i materiali attraverso l'uso di cavità ottiche, cioè spazi confinati in cui le molecole interagiscono fortemente con la luce.
Poter controllare le reazioni chimiche rappresenta una vera e propria sfida per la comunità scientifica, costantemente impegnata a rendere più efficiente la sintesi di nuove molecole che possano essere utilizzate per applicazioni in ambito farmaceutico o come plastiche o per il design di nuovi materiali. I metodi comunemente utilizzati per modificare il decorso di una reazione chimica sono basati su variazioni di parametri come temperatura o pressione, oppure utilizzano catalizzatori solidi o in soluzione: questi approcci, però, agiscono su scala più ampia, e spesso non consentono di controllare parti specifiche e localizzate delle molecole coinvolte.
È qui, invece, che interviene la manipolazione di materiali attraverso cavità ottiche, un processo che mira al controllo dei singoli atomi durante la reazione stessa. Quando collocate in tali cavità, le molecole subiscono cambiamenti fondamentali: la stretta interazione con i fotoni della luce, infatti, ne modifica significativamente alcune proprietà, tra cui la reattività chimica. Oggi, i ricercatori sono stati in grado di svelarne il perché, fornendo così la spiegazione teorica di un processo osservato, finora, solo sperimentalmente.
Spiega Enrico Ronca (Cnr-Ipcf), ricercatore che ha cofirmato lo studio: “Le reazioni chimiche sono direttamente correlate alle vibrazioni degli atomi coinvolti, ma è molto difficile controllare selettivamente questi movimenti. Se questo fosse possibile, però, sarebbe sufficiente riuscire a fornire solo una piccola quantità di energia ad alcuni atomi al momento giusto, proprio come un giocatore di biliardo vuole spingere solo una pallina sul tavolo, per far sì che la reazione avvenga. Il nostro studio ha rivelato che le condizioni all'interno della cavità ottica influenzano l'energia di vibrazione degli atomi attorno a specifici legami della molecola, modificandone quindi la reattività chimica. Al di fuori della cavità, quell'energia viene solitamente depositata su un singolo legame durante la reazione, che alla fine si può rompere: questa differenza è un passaggio chiave per spiegare perché le reazioni sono rallentate all’interno delle cavità. Il nostro lavoro teorico migliora la comprensione dei meccanismi microscopici coinvolti in questo processo, in particolare per il caso specifico di una reazione inibita dal campo elettromagnetico, che abbiamo studiato utilizzando la tecnica della Quantum-Electrodynamical Density-Functional Theory (QEDFT)”.
Oltre a ricercatori del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) di Amburgo e del Cnr, il team comprende studiosi della Chalmers University of Technology (Svezia), del Center for Computational Quantum Physics del Flatiron Institute (Usa), dell'Università di Harvard (Usa).
Aggiunge Christian Schäfer della Chalmers University of Technology: "Abbiamo scoperto che la cavità apre un nuovo percorso di reazione, quindi è meno probabile che l'energia venga incanalata su un singolo legame. Questo è il processo chiave che inibisce la reazione chimica, perché diminuisce la probabilità di rompere un legame specifico”.
Mentre gli autori evidenziano che restano ancora da capire molti aspetti importanti e che è necessaria un'ulteriore validazione sperimentale, sottolineano però il ruolo fondamentale di questo lavoro. "Questo articolo pone il controverso campo della chimica polaritonica su un livello diverso", aggiunge Angel Rubio, direttore del dipartimento di teoria dell'MPSD. “Fornisce informazioni fondamentali sui meccanismi microscopici che consentono il controllo delle reazioni chimiche. Ci aspettiamo che i risultati attuali siano applicabili a una serie più ampia di reazioni rilevanti (comprese le reazioni chimiche di clic collegate al Premio Nobel per la chimica di quest'anno) in condizioni di accoppiamento forte tra la luce e la materia”.
Per informazioni:
Enrico Ronca
Cnr - Ipcf / Unipg
enrico.ronca@unipg.it
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