In una pietra miliare scientifica senza precedenti, i ricercatori hanno catturato la prima immagine diretta di un singolo elettrone mentre si muoveva durante un processo chimico, utilizzando impulsi di raggi X ultraveloci. Questa impresa, dettagliata nella pubblicazione del 20 agosto 2025 su Physical Review Letters, apre nuove prospettive sulla comprensione dei meccanismi fondamentali delle reazioni chimiche.
Il team si è concentrato sull'osservazione del movimento di un elettrone di valenza, l'elettrone più esterno di un atomo, nel momento in cui una molecola di ammoniaca si dissocia. Questa innovazione supera le limitazioni precedenti in cui la diffrazione di raggi X, pur essendo uno strumento potente per catturare cambiamenti rapidi a livello microscopico, interagiva principalmente con gli elettroni interni, lasciando gli elettroni di valenza – i veri attori delle trasformazioni chimiche – al di fuori del campo visivo. La capacità di osservare direttamente queste particelle esterne rappresenta un salto qualitativo nella chimica.
Ian Gabalski, autore principale dello studio e dottorando in fisica, ha sottolineato come uno studio approfondito del comportamento degli elettroni di valenza possa ottimizzare lo sviluppo di agenti farmaceutici, introdurre tecnologie chimiche più stabili e creare materiali avanzati. Per l'esperimento, è stata scelta la molecola di ammoniaca per la sua struttura, composta prevalentemente da atomi leggeri, che riduce l'influenza degli elettroni interni sui risultati, aumentando le possibilità di osservare con successo il segnale desiderato.
La ricerca è stata condotta presso il laboratorio SLAC, utilizzando la sorgente di luce coerente Linac (Linac Coherent Light Source - LCLS), che genera potenti e brevi impulsi di raggi X. Il processo sperimentale ha previsto l'esposizione della molecola di ammoniaca a una breve scarica di radiazione ultravioletta, che ha trasferito un elettrone a uno stato di energia superiore, innescando il processo di dissociazione. Successivamente, i raggi X hanno registrato i movimenti nella nuvola elettronica, riflettendo la dinamica della reazione.
Secondo i principi della meccanica quantistica, gli elettroni non sono particelle solide ma nuvole di probabilità. I ricercatori hanno utilizzato modelli computerizzati per descrivere queste nuvole, o orbitali. Le onde dei raggi X, attraversando queste nuvole, si sono diffratte e sono interferite, permettendo la ricostruzione dell'immagine e il tracciamento dei movimenti elettronici. Il confronto dei dati ottenuti con modelli teorici ha confermato che sono proprio gli elettroni di valenza a giocare un ruolo chiave nei cambiamenti osservati.
Questa tecnica, che utilizza impulsi di raggi X ultraveloci, è in grado di catturare immagini con una risoluzione temporale dell'ordine dei femtosecondi (miliardesimi di miliardesimo di secondo), un intervallo di tempo così breve da permettere di osservare il movimento degli atomi e delle molecole durante transizioni di fase, reazioni chimiche e altri processi transitori. La LCLS, la prima sorgente di elettroni liberi a raggi X duri al mondo, è stata fondamentale per questa ricerca, fornendo impulsi di raggi X estremamente intensi e ultraveloci. La capacità di osservare direttamente la dinamica degli elettroni di valenza apre la strada a un controllo più preciso delle reazioni chimiche, con potenziali applicazioni che spaziano dalla progettazione di farmaci alla creazione di materiali innovativi.
In prospettiva, il team mira ad adattare la tecnologia per condizioni più complesse, inclusi ambienti tridimensionali, che potrebbero portare ad applicazioni pratiche nella medicina rigenerativa, come il ripristino di tessuti o la creazione di strutture artificiali su misura, ampliando così le possibilità nel campo della sanità.