Gli scienziati del Politecnico Federale di Losanna in Svizzera (EPFL) hanno sviluppato una nuova tecnica, basata sul laser, in grado di misurare le variazioni ultraveloci nella simmetria strutturale delle molecole, e in particolare una proprietà chiamata chiralità, monitorando i loro cambiamenti conformazionali in tempo reale. L’utilizzo di questa tecnica, in collaborazione con ricercatori delle Università di Ginevra e Pisa, ha permesso di risolvere un problema di vecchia data su come un'importante classe di complessi metallici cambia le proprie proprietà magnetiche quando viene attivata da un impulso di luce. Questo risultato può avere implicazioni, per esempio, in applicazioni di archiviazione dei dati su supporti magnetici. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Chemistry a fima per l'Ateneo pisano del dottor Francesco Zinna, ricercatore del Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale.
Rappresentazione artistica di una misura di dicroismo circolare risolta nel tempo di un complesso spin-crossover fotoeccitato. Immagine di Ella Maru Studio, Inc.
Le molecole chirali esistono in due forme, chiamate enantiomeri, che sono immagini speculari l'una dell'altra e non sono sovrapponibili, esattamente come una coppia di mani. Sebbene condividano le stesse proprietà chimiche e fisiche, due enantiomeri possono avere effetti completamente diversi in fenomeni (bio)chimici. Ad esempio, una proteina o un enzima può legare solo una forma enantiomerica di una molecola bersaglio. Di conseguenza, l'identificazione e il controllo della chiralità sono spesso fondamentali per sviluppare composti (bio)chimici, ad es. nell'industria alimentare, delle fragranze e farmaceutica.
Una delle tecniche più comuni per rivelare la chiralità è il dicroismo circolare, che misura come i campioni chirali assorbano la luce polarizzata circolarmente sinistra e destra in modo diverso. Il dicroismo circolare può anche aiutare a risolvere la conformazione di una molecola studiandone la risposta alla luce circolarmente polarizzata, una caratteristica che l'ha reso uno strumento analitico comune nelle scienze (bio)chimiche.
Tuttavia, il dicroismo circolare è stato finora limitato nella risoluzione temporale e nell'intervallo spettrale. I ricercatori guidati da Malte Oppermann nel gruppo di Majed Chergui all'EPFL, hanno ora sviluppato un nuovo strumento a risoluzione temporale che misura i cambiamenti del dicroismo circolare in frazioni di picosecondo (un trilionesimo di secondo), il che significa che può "scattare" istantanee ultraveloci della chiralità di una molecola durante tutta la sua attività (bio)chimica. Ciò consente di catturare la chiralità delle molecole nel loro stato eccitato e di risolverne il movimento conformazionale che avviene a seguito dell’assorbimento della luce.
In collaborazione con il gruppo di Jérôme Lacour dell'Università di Ginevra e Francesco Zinna dell'Università di Pisa, Il nuovo metodo è stato utilizzato per studiare le dinamiche di commutazione magnetica, associata a transizioni di stati di spin, dei cosiddetti "complessi spin-crossover a base di ferro" - un'importante classe di composti di coordinazione con possibili applicazioni in dispositivi magnetici di archiviazione ed elaborazione di dati. Dopo decenni di ricerca, il meccanismo di disattivazione del loro stato magnetico è rimasto irrisolto, nonostante la sua importanza dal punto di vista sia fondamentale che applicativo.
Effettuando un esperimento di dicroismo circolare risolto nel tempo, i ricercatori hanno scoperto che la perdita di magnetizzazione è determinata da una torsione della struttura della molecola che ne distorce la simmetria. In modo inatteso, il team è stato anche in grado di rallentare il decadimento dello stato magnetico, sopprimendo il movimento di torsione tramite un controllo chimico della chiralità dei complessi.
"Questi esperimenti rivoluzionari mostrano che il dicroismo circolare risolto nel tempo è particolarmente adatto a catturare il movimento molecolare che guida molti processi (bio)chimici", affermano i ricercatori. “Lo studio dimostra come il controllo della chiralità sia fondamentale anche nel controllo delle transizioni alto-basso spin. Tali transizioni sono fondamentali anche in processi biologici, quale, ad esempio, la formazione del legame tra ossigeno e ferro-emoglobina”.