In una collaborazione globale, un team di ricercatori ha recentemente dimostrato una teoria vecchia di 90 anni sul perché le teste delle comete, ma mai le code, sono verdi. La spiegazione scientifica, pubblicata di recente su PNAS, ha a che fare con il modo in cui la molecola dicarbonio (C2), viene spazzata via dalla luce solare. L’altra parte della storia sta in una scoperta accidentale e nell’amore per le perturbazioni spettroscopiche, passato da un professore in pensione di recente a un’altra generazione di scienziati.
Quando le molecole si comportano male
Come studente laureato al MIT nel laboratorio di Robert W. Field, Jun Jiang PhD ’17 stava studiando la molecola dell’acetilene eccitandola con un laser UV ad alta potenza sintonizzabile in frequenza. Quando l’acetilene si dissolse, una delle molecole risultanti, C2, emetteva luce da diversi stati altamente eccitati.
Uno di questi stati ad alta energia, lo stato C 1 Π g di C 2, mostrava una struttura del livello di energia vibrazionale irregolare ed era fortemente perturbato da un altro misterioso stato elettronico. In altre parole, Jiang ha notato che il legame carbonio-carbonio nello stato di dicarbonio C vibra in un modo molto insolito non facilmente spiegabile, in qualche modo come un bambino che fa i capricci senza una ragione apparente.
Le lezioni introduttive alla meccanica quantistica insegnano un sistema modello di come le molecole dovrebbero agire o reagire in varie situazioni. “Le perturbazioni sono deviazioni così grandi che gli spettroscopisti spesso si arrendono ed etichettano gli spettri osservati della molecola come ‘fortemente perturbati'”, ha affermato Jiang, ora ricercatore presso il Lawrence Livermore National Laboratory e coautore dell’articolo.
Secondo Field, anche il fisico Gerhard Herzberg, che ha quasi creato lo studio della spettroscopia di piccole molecole e ha originato la proposta del motivo per cui le code delle comete non sono mai verdi, di solito metteva da parte le perturbazioni “per studi futuri” nella sua ricerca.
“Ho iniziato la mia carriera occupandomi della spazzatura di Herzberg”, ha affermato Field, professore di chimica post-incarico al MIT che è anche coautore dell’articolo. L’interesse di Field per il “cattivo comportamento” delle molecole è iniziato oltre 40 anni fa con le deviazioni del monossido di carbonio. “Quando le molecole si comportano male, può portare a una grande intuizione”.
Il concetto del buco di valenza
Le perturbazioni nello stato C di C2 hanno portato i ricercatori a qualcosa di più di quanto si sapeva in precedenza sulla struttura elettronica della molecola, un concetto inventato dai chimici quantistici per descrivere le complesse interazioni a molti corpi tra gli elettroni e i nuclei nella molecola.
“Al MIT, abbiamo scoperto che la fonte di queste perturbazioni sistematiche in C2 è un nuovo fenomeno che chiamiamo ‘configurazioni elettroniche del buco di valenza'”, ha affermato Field.
Nonostante la semplicità della sua composizione chimica, il dicarbonio possiede una struttura elettronica sorprendentemente intricata, che manifesta stridenti anomalie nei modelli dei livelli energetici. Questi segni di “perturbazioni spettroscopiche” sono molto più numerosi e complessi di quelli che si trovano in altre molecole biatomiche semplici, caratterizzate da libri di testo, come CO, N 2 e O 2.
“Le perturbazioni causate da queste configurazioni speciali e inaspettatamente stabili del foro di valenza influenzano profondamente le proprietà di fotodissociazione e predissociazione del C2 , che, come mostriamo nel nostro articolo PNA , determina per quanto tempo le molecole di C 2 sopravvivono su una cometa prima di essere distrutte dalle radiazioni ultraviolette della luce solare”, ha affermato Field.
“Perturbazioni, predissociazione e fotodissociazione sono tre arcani spettroscopici che spiegano il mistero della differenza di colore tra la testa e la coda di una cometa straordinariamente visibile”.
Queste intuizioni sono state cruciali per la soluzione di un puzzle vecchio di quasi un secolo che il professor Timothy W. Schmidt dell’Università del New South Wales e autore principale dell’articolo stava indagando dall’altra parte del mondo. Arrivando a conclusioni simili sullo stato C eccitato di C2 , Schmidt ha contattato Field, portando per la prima volta nella storia gli scienziati a osservare i dettagli diagnostici di questa interazione chimica, teorizzata da Herzberg negli anni ’30.
Mettere insieme Humpty di nuovo
Dopo sette anni nel gruppo di ricerca sul campo, Jiang ha imparato ad abbracciare un approccio alla ricerca guidato dalla curiosità. “Bob ci ha sempre sfidato a guardare oltre le aspettative convenzionali su come dovrebbe comportarsi una molecola. Ci possono essere belle storie da imparare”, ha detto Jiang.
Le storie di questa scoperta vanno anche oltre C2. Gli studi hanno dimostrato l’importanza dello stato del buco di valenza nel diazoto, ma l’elevata energia di questo stato in N 2 rende difficile un’indagine spettroscopica più completa. Poiché la scoperta accidentale di Jiang ha determinato che gli spettri per gli stati del buco di valenza del dicarbonio sono ottenibili più facilmente rispetto ad altre molecole correlate, il C2 può servire da modello per comprendere l’impatto dirompente degli stati del buco di valenza in generale.
“Le perturbazioni rompono il normale schema herzbergiano e la teoria basata sul concetto del buco di valenza rimette insieme i pezzi rotti”, ha affermato Jiang, il cui lavoro attuale confronta l’idea con il raggiungimento di ciò che era impossibile nella filastrocca Humpty Dumpty.
Forse i racconti per bambini hanno più cose in comune con le scoperte chimiche di quanto si possa pensare. Se deviazioni inaspettate portano a una comprensione più profonda della natura di un soggetto, potremmo dire che un comportamento scorretto è semplicemente un comportamento frainteso.
Le molecole, come i bambini, “recitano” per ragioni non facilmente ovvie. Ma una volta identificata la causa, i pezzi si incastrano per raccontare una storia più completa.
Come dice Field, “La natura lascia una scia di intuizioni attraverso le perturbazioni”. Possiamo raccogliere queste intuizioni se seguiamo dove porta la curiosità.