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