06/11/2025
Un team di ricerca composto da Giulio Cerullo, docente del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, da Caterina Vozzi direttrice dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR, da Marco Garavelli dell’Università di Bologna e da Shaul Mukamel della University of California, si è aggiudicato un ERC Synergy Grant da 10 milioni di euro per “filmare” le molecole mentre cambiano forma sotto l’effetto della luce e imparare a guidare queste trasformazioni.
Quando la luce colpisce una molecola, può innescare trasformazioni chimiche ultrarapide che avvengono in tempi di pochi milionesimi di miliardesimo di secondo. Questi processi sono alla base di fenomeni biochimici fondamentali come la visione, la fotosintesi o la protezione del DNA dai raggi UV. Tuttavia, ciò che accade esattamente durante queste reazioni è ancora in gran parte misterioso, perché avviene troppo velocemente per essere osservato con le tecniche tradizionali.
Il progetto CONCERT (Capturing and cONtrolling coniCal intErsections in Real Time) vuole affrontare questa sfida combinando competenze sperimentali e teoriche di fisica, chimica e tecnologia laser. Il grande obiettivo del progetto è osservare le intersezioni coniche, che sono punti critici nella “mappa energetica” delle molecole eccitate dalla luce, in cui due stati elettronici si incrociano. In questi istanti, le regole classiche della chimica smettono di valere e le molecole seguono comportamenti puramente quantistici.
Se immaginiamo una molecola come un’automobile che si muove lungo una traiettoria, possiamo pensare alle intersezioni coniche come “snodi di traffico” quantistici, o “rotonde molecolari”, che determinano su quale traiettoria, tra le varie possibili, la molecola evolverà. Capirne il funzionamento apre alla possibilità di controllare le reazioni fotochimiche, deviando il percorso delle molecole con un flash luminoso e indirizzandole nella direzione voluta tra le diverse disponibili alla “rotonda molecolare”.
Per osservare fenomeni così rapidi, CONCERT svilupperà strumenti laser di nuova generazione, capaci di emettere impulsi di luce ultrabrevi, della durata di pochi milionesimi di miliardesimo di secondo, per creare una sorta di “film molecolare”. Un primo impulso laser avvia il processo chimico. Un secondo impulso scatta un’istantanea dello stato della molecola. Ripetendo l’operazione con diversi ritardi temporali, si costruisce un film dell’evoluzione molecolare che consente di registrare il passaggio della molecola attraverso l’intersezione conica. Una parte di questi esperimenti sarà svolto al FERMI, il laser a elettroni liberi del Sincrotrone ELETTRA a Trieste: “grazie ai suoi impulsi di luce nei raggi X soffici, FERMI permette di osservare in tempo reale come le molecole si comportano e si trasformano durante le intersezioni coniche”, spiega Claudio Masciovecchio, Dirigente per le tecniche sperimentali risolte temporalmente di Elettra Sincrotrone Trieste.
Una volta compreso come la luce determina l’evoluzione delle molecole, il passo successivo sarà usare la luce stessa per controllarla. CONCERT ambisce a progettare impulsi laser su misura che interagiscono con la molecola quando si avvicina all’intersezione conica per indirizzare il percorso della reazione chimica, scegliendo quale prodotto ottenere. "I metodi tradizionali hanno cercato di controllare la reazione sin dall’inizio, ma finora si sono rivelati inefficienti", afferma Marco Garavelli. "Noi proponiamo un cambio di paradigma: invece di controllare l’inizio, applichiamo un impulso laser appositamente progettato nel punto critico l'intersezione conica- dove la molecola “sceglie” il suo percorso".
Questo approccio è un sogno di lunga data dei chimici: usare la luce come un catalizzatore, capace di controllare il risultato di una reazione chimica senza aggiungere sostanze esterne. "Finora gli scienziati sono stati in gran parte solamente spettatori di questi "film molecolari”", spiega Giulio Cerullo. "Mentre svilupperemo speciali “telecamere” per cogliere questi eventi sul fatto, il nostro obiettivo finale è trasformarci da osservatori passivi in registi attivi".
Il successo di CONCERT non solo aprirà una nuova finestra sulla natura più intima delle reazioni fotochimiche, ma potrà avere importanti ricadute nella chimica verde, per sintetizzare nuovi composti in modo pulito e selettivo, e nella tecnologia dei materiali, per progettare molecole fotosensibili e dispositivi fotonici ispirati ai processi biologici. "In altre parole, il progetto punta a unire fisica quantistica, laser ultraveloci e chimica molecolare per creare una nuova frontiera: la sintesi chimica quantistica controllata dalla luce", conclude Caterina Vozzi.
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Caterina Vozzi
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