Gli elettroni che compongono un atomo non occupano una posizione ben definita: sono descritti da una funzione d’onda, cioè da una mappa di probabilità che descrive dove è più probabile trovarli e come si muovono. Negli orbitali molecolari – l’unione delle funzioni d’onda degli elettroni di una molecola – questa informazione è cruciale: descrive come una molecola assorbe luce, interagisce con l’ambiente e prende parte alle reazioni chimiche.

Un team di ricercatori guidato dall’Università di Gottinga (Germania) ha ricostruito per la prima volta la funzione d’onda di una molecola organica nanometrica in tre dimensioni. Lo studio, al quale hanno preso parte anche Fabio Frassetto e Luca Poletto del Cnr-Ifn (l’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr di Padova) e pubblicato lo scorso giugno su Nature Communications, è stato realizzato attraverso la tecnica della tomografia orbitale da fotoemissione: quando la luce colpisce la molecola in esame, questa emette elettroni e, misurandone la quantità di moto, i ricercatori hanno ricavato informazioni su una parte della funzione d’onda, mentre la parte mancante è stata ricostruita attraverso algoritmi matematici.

Gli autori dello studio hanno utilizzato una tecnica di spettroscopia fotoelettronica all’avanguardia, avvalendosi di una sorgente di raggi X morbidi (a sinistra) in grado di fornire impulsi luminosi ultrabrevi, combinata con potenti algoritmi matematici, per rappresentare graficamente la funzione d’onda degli orbitali elettronici (a destra). Crediti: Lukas Kroll

L’idea alla base non è nuova: una prima dimostrazione sperimentale della ricostruzione di orbitali molecolari risale al 2009, e negli anni successivi la tecnica è stata estesa al 3D, ma con un costo sperimentale molto elevato, spesso legato all’uso di sincrotroni di grandi dimensioni. «Abbiamo introdotto due nuovi concetti di grande efficacia. Innanzitutto, riprogettando da zero l’algoritmo informatico, è ora possibile ottenere immagini 3D affidabili con una quantità molto minore di dati sperimentali. In secondo luogo, l’esperimento si basa su una potente sorgente di raggi X morbidi che fornisce impulsi luminosi ultrabrevi», spiega uno dei coautori, Matthijs Jansen, dell’Università di Gottinga. «È proprio la combinazione di queste due tecniche a determinarne il notevole impatto».

L’immagine pubblicata non è una fotografia nel senso classico del termine, come quelle scattate con una fotocamera, ma una visualizzazione che mostra in modo probabilistico dove l’elettrone può trovarsi, ricostruita combinando misure sperimentali e algoritmi matematici. È più simile a una “radiografia matematica” che a uno scatto fotografico tradizionale, dal momento che non è possibile vedere in maniera diretta gli elettroni. In altre parole, la mappa tridimensionale della funzione d’onda ottenuta tramite i dati raccolti e l’algoritmo di ricostruzione assomiglia a una foto in 3D, ma è in realtà un’immagine calcolata che condensa in forma visiva le informazioni quantistiche accessibili solo in modo indiretto.

a) I dati grezzi delle misurazioni, visualizzati come una nuvola di “voxel” (pixel 3D) semitrasparenti disposti su gusci emisferici. Le sezioni trasversali mostrano come solo una frazione dei pixel nello spazio di quantità di moto contenga dati di misura, mentre la maggior parte dei pixel sia priva di dati; b) e c) Immagini tridimensionali della funzione d’onda, che mostrano l’orbitale molecolare occupato più alto di una molecola di Ptcda, sostanza spesso utilizzata per la produzione di coloranti grazie alla sua forte interazione con la luce. Ognuna delle due immagini mostra sia la rappresentazione tridimensionale che le sezioni trasversali dell’orbitale a 1 Å (un decimiliardesimo di metro) di distanza dal centro della molecola. Crediti: Bennecke et al., 2026, Nature Communications

«Questa tecnica potrebbe far diventare realtà la videografia stroboscopica», conclude la prima autrice dello studio, Wiebke Bennecke, dell’Università di Gottinga, «consentendoci non solo di osservare la forma delle funzioni d’onda, ma anche di vedere come essa cambi con una risoluzione ultraveloce, persino dell’ordine dei femtosecondi, ovvero un milionesimo di miliardesimo di secondo. Ciò permetterà di comprendere come una molecola si adatti a variazioni ottiche, elettroniche o chimiche e di trovare nuovi modi per controllare queste interazioni a livello di pochi atomi».

Per saperne di più: 

• Leggi su Nature Communications l’articolo “Table-top three-dimensional photoemission orbital tomography with a femtosecond extreme ultraviolet light source ” di Wiebke Bennecke, Thi Lan Dinh, Jan Philipp Bange, David Schmitt, Marco Merboldt, Lennart Weinhagen, Bent van Wingerden, Fabio Frassetto, Luca Poletto, Marcel Reutzel, Daniel Steil, D. Russell Luke, Stefan Mathias  e G. S. Matthijs Jansen

Dopo un dibattito durato secoli sulla possibile presenza di acqua sulla Luna, nel 2020 i dati raccolti dalla missione Sofia della Nasa ne avevano confermato la presenza sotto forma di ghiaccio. Non si sa ancora, però, quanto ghiaccio ci sia, né dove sia localizzato. Un nuovo studio condotto dai geologi dell’Università del Maryland (Umd), del Lawrence Berkeley National Laboratory e dell’Università delle Hawaii presenta un metodo che potrebbe essere utilizzato per individuare e mappare il ghiaccio sotto la superficie lunare: attraverso le onde sismiche dei “lunamoti” (moonquakes, in inglese), il tipo di vibrazioni misurate durante i terremoti.

Una catena montuosa lunare ripresa nel 2023 dal Lunar Reconnaissance Orbiter della Nasa. In basso a sinistra è visibile il cratere Malapert, un potenziale sito di atterraggio per Artemis 4. Crediti: Nasa/Gsfc/Arizona State University

«È fondamentale individuare eventuali materiali presenti sulla Luna che un astronauta possa utilizzare mentre si trova lassù», spiega Nicholas Schmerr dell’Umd, coautore dello studio, pubblicato due settimane fa su Science Advances. «Poiché saranno limitati dalle poche risorse portate dalla Terra, qualsiasi cosa trovino sulla Luna li aiuterà sostanzialmente a vivere di ciò che offre il territorio, specialmente nel caso di missioni a lungo termine o avamposti». Il ghiaccio, in particolare, potrebbe rivelarsi essenziale per le missioni umane sulla Luna: se sciolto e purificato può diventare acqua potabile, mentre scisso produce ossigeno per respirare e idrogeno per il carburante dei razzi. Questo significa che individuare una fonte di ghiaccio lunare potrebbe ridurre drasticamente il carico che le future missioni dovranno trasportare dalla Terra: si rivelerebbe cruciale per il programma Artemis della Nasa, che punta alla regione polare sud della Luna per gli atterraggi con equipaggio nel 2028, dove ci sono crateri polari che potrebbero nascondere del ghiaccio d’acqua.

In blu sono indicate delle aree del polo sud lunare in cui potrebbero esserci depositi di ghiaccio d’acqua. La mappa si basa sui dati raccolti dal Lunar Reconnaissance Orbiter della Nasa. Crediti: Nasa

Il team ha sfruttato il fatto che, se attraversati da un’onda sismica, il suolo ghiacciato e quello secco si comportano in modo molto diverso tra loro: il ghiaccio irrigidisce il materiale in cui è mescolato, facendo sì che le vibrazioni viaggino da due a tre volte più velocemente rispetto a quanto farebbero attraverso il terreno asciutto. Le zone ricche di ghiaccio possono anche far rimbalzare l’energia sismica invece di lasciarla passare. Un sismometro posizionato sulla Luna, sottolinea Schmerr, potrebbe rilevare questi effetti. «Possiamo utilizzare le onde sismiche non solo per verificare la presenza di ghiaccio, ma anche per stimarne approssimativamente la quantità».

Per verificare la validità dell’idea, Harrison Lisabeth del Lawrence Berkeley National Laboratory, autore principale dello studio, ha congelato una roccia vulcanica proveniente dall’Arizona che, se frantumata, riproduce fedelmente la polvere lunare, e ha utilizzato i raggi X per studiare come il ghiaccio si insedi negli interstizi tra i granelli di terreno. Il coautore Matthew Siegler dell’Università delle Hawaii ha invece realizzato mappe dettagliate delle temperature della regione polare sud della Luna, identificando quali crateri sono rimasti sufficientemente freddi da preservare il ghiaccio per miliardi di anni. Schmerr, infine, ha simulato al computer piccoli terremoti lunari che si propagano attraverso il ghiaccio sotterraneo, interagendoci. In tutti e tre gli approcci il ghiaccio ha lasciato tracce evidenti e misurabili nei dati sismici.

Mappa della distribuzione dell’acqua sulla Luna realizzata nel 2023 con i dati di Sofia. La mappa, che fornisce indicazioni su come l’acqua possa spostarsi lungo la superficie lunare, si estende fino al polo sud lunare, l’area che sarà oggetto di studio delle missioni Artemis della Nasa e del rover Viper, dedicato alla ricerca dell’acqua. Crediti: Nasa

Verificare la posizione e la quantità di ghiaccio non sarebbe importante solo per gli astronauti. «La Luna è stata testimone di alcune delle fasi più cruciali del Sistema solare primordiale, compreso il modo in cui l’acqua è stata trasportata», ricorda infatti Schmerr. «Lo studio del ghiaccio lì depositato potrebbe rivelare come l’acqua si sia diffusa e, in ultima analisi, come si siano formati gli oceani terrestri».

La missione cinese Chang’e-7, che atterrerà sulla Luna alla fine di quest’anno, trasporterà un sismometro, mentre nel 2028 gli astronauti della missione Artemis potrebbero installare la Lunar Environmental Monitoring Station, una stazione di monitoraggio dell’ambiente lunare. Non ci sarà quindi da attendere a lungo per verificare le previsioni dello studio.

Per saperne di più:

• Leggi su Science Advances l’articolo “The seismic signature of lunar ice” di Harrison P. Lisabeth, Nicholas Schmerr e Matthew Siegler