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Molecular Billiards in Slow Motion

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Nuovi metodi svelano la natura quantistica delle collisioni molecolari

L’osservazione e il controllo delle collisioni molecolari sono da molto tempo considerate il Santo Graal della fisica chimica. Nuovi metodi sviluppati nell’ambito del progetto MOLBIL rendono possibile questo traguardo, sia per molecole «elettriche» che per quelle «magnetiche».

Ricerca di base

Sebbene le molecole in collisione possano subire una reazione chimica, più spesso trasferiscono solamente energia tra di loro e finiscono per ruotare un po’ più rapidamente o muoversi un po’ più lentamente. Questo fenomeno apparentemente semplice svolge un ruolo fondamentale in una sorprendentemente vasta gamma di processi: la formazione delle stelle e dei pianeti, il bilancio termico dell’atmosfera e persino alcuni processi che hanno luogo in certi computer quantistici. Disponiamo già di buone conoscenze in merito a tali collisioni a elevati livelli di energia; tuttavia, per quanto concerne le collisioni a bassa energia, la questione è completamente diversa e solo la meccanica quantistica è in grado di descrivere il processo di dispersione. Metodi adeguati non erano disponibili nel passato, fino a quando il progetto MOLBIL (Molecular Billiards in Slow Motion) non ha inventato un modo per rappresentare la vera natura quantistica delle collisioni molecolari. Insieme al suo team, il prof. dott. Sebastiaan van de Meerakker ha sviluppato metodi per controllare in modo competo il moto delle molecole prima della loro collisione, così da garantire che essa avvenga in condizioni estremamente ben definite. Tale controllo consente di acquisire un’immagine ingrandita del processo, svelando meccanismi di collisione che, altrimenti, sarebbero rimasti celati. «Il primo compito consiste nel controllare attentamente la velocità delle molecole, in modo da ottenere un risultato interpretabile in maniera più semplice», afferma il prof. dott. van de Meerakker, coordinatore di MOLBIL. «Potremmo paragonare quest’operazione a un crash test effettuato da un costruttore di automobili: se non si conosce la velocità a cui l’auto stava viaggiando al momento dell’impatto, non si riusciranno a trarre molte informazioni utili dai danni provocati di conseguenza». Il «deceleratore Stark», che controlla la velocità, è ciò che rende unici i risultati di MOLBIL, come spiega il prof. dott. van de Meerakker: «Siamo in grado di controllare non solo la velocità assoluta delle molecole, ma anche la propagazione della velocità di un insieme di molecole che prendono congiuntamente parte al processo di collisione. Mentre la prima è importante per controllare o esaminare l’energia di collisione, la seconda è rilevante per esaminare l’energia di collisione ad alta risoluzione (incertezza sull’energia di collisione)». Questo metodo ha consentito al team di osservare fenomeni di dispersione che, a livello teorico, erano stati previsti decenni fa, ma non erano ancora stati osservati sperimentalmente, tra cui oscillazioni di diffrazione quantistica, risonanze di dispersione a bassa energia o correlazioni tra coppia e prodotto. Dato che il deceleratore Stark funziona solo per molecole «elettriche» (ovvero quelle caratterizzate da un momento di dipolo elettrico) e non per molecole magnetiche, il team ha impiegato inoltre il deceleratore Zeeman. «Utilizzando una serie di elettromagneti possiamo ottenere un pieno controllo delle molecole magnetiche, il che ci consente di studiare un gruppo di atomi e molecole del tutto nuovo. I deceleratori Zeeman non rappresentano una novità, al contrario del concetto da noi sviluppato che è stato ottimizzato specificamente per gli esperimenti di collisione molecolare», afferma il prof. dott. van de Meerakker. Nel complesso, le scoperte di MOLBIL forniscono dati che metteranno in discussione i preconcetti dei teorici impegnati a risolvere le equazioni della meccanica quantistica. Sebbene questi risultati non porteranno alla commercializzazione di prodotti nel breve periodo, il prof. dott. van de Meerakker è fiducioso che le conoscenze offerte dal progetto apporteranno benefici per numerosi settori scientifici diversi, tra cui quello della ricerca sui gas quantistici, l’astrofisica e la meteorologia. Il prof. dott. van de Meerakker, inoltre, anche se il progetto è già stato ultimato, intende proseguire la propria ricerca. «Le energie di collisione che abbiamo ottenuto finora corrispondono a collisioni tra molecole trovate in gas a temperature di circa 10 kelvin (e oltre). Si tratta di un livello di energia già molto basso, ma abbiamo ora in programma di modificare i macchinari per raggiungere temperature ancora inferiori. Sebbene possa sembrare un cambiamento di poca entità, ha di fatto delle implicazioni di grande importanza», conclude il prof. dott. van de Meerakker.

Parole chiave

MOLBIL, collisioni molecolari, molecole, bassa energia, meccanica quantistica

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