Osservato l'innesco delle reazioni alla base della vita

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Osservato per la prima volta il moto degli elettroni in una molecola complessa, un amminoacido per essere precisi.
Lo studio è pubblicato sulla rivista Science, firmato da un team che vede la partecipazione di una forte componente italiana, con l'Università di Trieste, l'IFN-CNR e il Politecnico di Milano.
Si tratta di un lavoro finora inedito: la dinamica studiata dai ricercatori non riguarda solo, o non semplicemente, il movimento di elettroni all'interno di un sistema atomico più complesso, ma è l'osservazione di una fase rapidissima che precede qualsiasi meccanismo di accensione di una reazione chimica o biologica, come la formazione di un legame o il danneggiamento di un filamento di DNA.

Il risultato rappresenta inoltre il raggiungimento dell'obiettivo di un progetto di ricerca iniziato cinque anni fa, che fa riferimento proprio alle strutture di PoliMi.
Mauro Nisoli si è laureato in ingegneria elettronica al politecnico di Milano, dove ora insegna presso il dipartimento di Fisica e conduce attività di ricerca nel settore dell'interazione radiazione-materia, in particolare attraverso l'uso delle sorgenti LASER al femtosecondo (ovvero con un'oscillazione temporale dell'ordine di 10-15 secondi), ed è vincitore di un Grant ERC senior che ha consentito l'avvio di questo studio.
"E' la prima prova sperimentale di una previsione teorica formulata qualche anno fa", spiega Nisoli "e l'eccezionalità del nostro lavoro si colloca in una scala precisa, quella degli attosecondi, cioè 10-18 sec.
Questa è la durata di tempo estremamente breve degli impulsi laser che sono stati finora utilizzati, proprio qui al Politecnico, per studiare al massimo sistemi più semplici, come gli atomi di idrogeno".
Il gruppo guidato da Nisoli è riuscito ora a superare questo limite, guardando quello che succede prima che la molecola inizi a vibrare (movimento tipico dei femtosecondi) o ruotare (picosecondi, 10-12 sec).  
Come? Privando di un elettrone la molecola in questione, la fenilalanina, ovvero ionizzandola, e studiando la velocissima trasformazione della configurazione elettronica rimasta.

Questo era diventato un preciso obiettivo di gran parte dei centri che svolgono attività analoghe a quelle di PoliMi già diversi anni fa, quando è stata pubblicata la previsione sperimentale di queste specifiche dinamiche elettroniche. Da questo punto di vista si tratta quindi di un record italiano.
"Il primo goal, di carattere tecnico, è stato quello di aumentare l'intensità del fascio di fotoni usato per eccitare una molecola d'interesse biologico", si tratta di una radiazione analoga a quella laser, nel range X-UV, quindi molto energetica, che al Politecnico focalizzano con lenti speciali.
"Secondo passo, la misura, vale a dire l'osservazione vera e propria del fenomeno. Questa la otteniamo grazie a un processo di doppia ionizzazione: strappiamo via un elettrone con la radiazione X-UV di durata agli attosecondi, estremamente intensa, dopodiché il sistema molecolare tenderà a compensare in modo naturale questa lacuna. Il movimento di elettroni conseguente lo osserviamo poi con un secondo impulso, leggermente più lungo, ma comunque molto breve, ai femtosecondi".

Quello del Politecnico è uno dei pochi centri a livello internazionale dotato della strumentazione necessaria per generare impulsi agli attosecondi.
"Il nostro è un centro molto conosciuto per questa tecnica, in questo caso abbiamo collaborato anche con colleghi dell'INFN e del CNR, il cui dipartimento ha sede proprio a PoliMi, e che comprende alcuni degli stessi autori della pubblicazione. Per la parte più strettamente teorica e di calcolo numerico è stato invece essenziale il contributo dei colleghi spagnoli, con Piero de Cleva dell'Università di Trieste. Loro si sono occupati della fase preliminare, di modellizzazione, in cui non è stato simulato l'esperimento vero e proprio integralmente, ma per la prima volta sono state usate delle approssimazioni matematiche molto buone di quello che accade realmente a quel livello della materia. Ci sono ancora molti limiti, ma ad oggi è il massimo che si possa ottenere, andando anzi oltre lo stato dell'arte nella modellizzazione di strutture atomiche".

Le applicazioni (possibili) della scoperta

Si tratta di un successo di ricerca di base, innanzitutto, anche se è possibile già immaginare possibili sviluppi. "Bisogna certo essere molto cauti", spiega Nisoli "perché il nostro lavoro ha raggiunto per ora un importante obiettivo: osservare il primo passo di un processo biologico, quello elettronico, che auspicabilmente potrebbe essere controllato, validando i modelli teorici grazie agli attosecondi. Riusciremo a modificare i processi che portano al danneggiamento del DNA o migliorare le tecniche di radioterapia? C'è ancora molta strada da fare. Di certo le interazioni che intervengono anche in questi casi sono molto rapide. Ora siamo in grado di osservarle e capirle meglio, ma siamo ancora allo studio di molecole relativamente semplici".
Stessa cautela bisogna utilizzare per altri campi, come il fotovoltaico, un settore per il quale di solito si sprecano le promesse di rinnovamento e per il quale gli impulsi agli attosecondi sono tenuti particolarmente d'occhio, considerando che restringono molto l'area di osservazione dei materiali utilizzati. C'è già una classe di dispositivi fotovoltaici innovativi - di "terza generazione", nello specifico - che fa uso di molecole singole, quella cosiddetta a coloranti organici, ma la struttura che li sostiene è ancora troppo complessa "Se riuscissimo a usare una sola molecola come dispositivo per il trasferimento di carica, potremmo avere un generatore di corrente con potenzialità ben più alte, con una gestione meno articolata di un sistema molecola organica - semiconduttore come il fotovoltaico a colorante".

Il lavoro del progetto ELYCHE (Electron Scale dynamics in chemistry) continuerà anche dopo la chiusura del finanziamento European Research Council di quest'anno, mettendo a disposizione i risultati per lo studio di poolipetdidi e molecole ancora più complesse.

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