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Ricercatori catturano i protoni nell’atto della dissociazione con una “fotocamera elettronica” ultraveloce
Gli scienziati hanno catturato gli atomi di idrogeno in rapido movimento, le chiavi di innumerevoli reazioni biologiche e chimiche, in azione.
Un team guidato da ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia e dell’Università di Stanford ha utilizzato la diffrazione elettronica ultraveloce (UED) per registrare il movimento degli atomi di idrogeno all’interno delle molecole di ammoniaca. Altri avevano teorizzato di poter tracciare gli atomi di idrogeno con la diffrazione elettronica, ma fino ad ora nessuno aveva portato a termine l’esperimento con successo.
I risultati, pubblicati su Physical Review Letters , sfruttano i punti di forza degli elettroni Megaelettronvolt (MeV) ad alta energia per studiare gli atomi di idrogeno e i trasferimenti di protoni, in cui il singolare protone che costituisce il nucleo di un atomo di idrogeno si sposta da una molecola all’altra.
I trasferimenti di protoni guidano innumerevoli reazioni in biologia e chimica – si pensi agli enzimi, che aiutano a catalizzare le reazioni biochimiche , e alle pompe protoniche, che sono essenziali per i mitocondri, le centrali elettriche delle cellule – quindi sarebbe utile sapere esattamente come si evolve la sua struttura durante quelle reazioni. Ma i trasferimenti di protoni avvengono in modo superveloce: entro pochi femtosecondi, un milionesimo di un miliardesimo di secondo. È difficile coglierli in azione.
Una possibilità è quella di sparare raggi X su una molecola, quindi utilizzare i raggi X diffusi per conoscere la struttura della molecola mentre si evolve. Purtroppo, i raggi X interagiscono solo con gli elettroni, non con i nuclei atomici , quindi non è il metodo più sensibile.
Per ottenere le risposte che stavano cercando, un team guidato dallo scienziato dello SLAC Thomas Wolf, ha messo al lavoro MeV-UED, la fotocamera per diffrazione elettronica ultraveloce dello SLAC. Hanno usato l’ammoniaca in fase gassosa, che ha tre atomi di idrogeno attaccati a un atomo di azoto . Il team ha colpito l’ammoniaca con luce ultravioletta , dissociando o rompendo uno dei legami idrogeno-azoto, quindi ha sparato un fascio di elettroni attraverso di esso e ha catturato gli elettroni diffratti.
Non solo hanno catturato i segnali provenienti dall’idrogeno che si separa dal nucleo dell’azoto, ma hanno anche colto il cambiamento associato nella struttura della molecola. Inoltre, gli elettroni sparsi venivano sparati ad angoli diversi, in modo da poter separare i due segnali.
“Avere qualcosa che sia sensibile agli elettroni e qualcosa che sia sensibile ai nuclei nello stesso esperimento è estremamente utile”, ha detto Wolf. “Se riusciamo a vedere cosa succede prima quando un atomo si dissocia – se i nuclei o gli elettroni fanno il primo passo per separarsi – possiamo rispondere a domande su come avvengono le reazioni di dissociazione.”
Con queste informazioni, gli scienziati potrebbero avvicinarsi allo sfuggente meccanismo del trasferimento dei protoni, che potrebbe aiutare a rispondere a una miriade di domande in chimica e biologia. Sapere cosa fanno i protoni potrebbe avere importanti implicazioni nella biologia strutturale, dove i metodi tradizionali come la cristallografia a raggi X e la microscopia crioelettronica hanno difficoltà a “vedere” i protoni.
In futuro il gruppo farà lo stesso esperimento utilizzando i raggi X del laser a raggi X di SLAC, il Linac Coherent Light Source (LCLS), per vedere quanto sono diversi i risultati. Sperano anche di aumentare l’intensità del fascio di elettroni e di migliorare la risoluzione temporale dell’esperimento in modo da poter effettivamente risolvere i singoli passaggi della dissociazione del protone nel tempo.
More information: Elio G. Champenois et al, Femtosecond Electronic and Hydrogen Structural Dynamics in Ammonia Imaged with Ultrafast Electron Diffraction, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.143001
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