LA BREVE STRADA CHE CONDUCE DA H2 AD H3+

Catione idrogenonio, ora t’ho visto nascere

I dettagli della formazione dello ione H3+, una molecola fondamentale per la chimica dell'universo e della vita, sono stati ottenuti a partire da studi di eccitazione laser di una serie di composti organici. La ricerca, condotta da un team della Michigan State University, è pubblicata su Nature Communications

Via di formazione primaria dello ione idrogenonio H3+ a partire da metanolo (CH3OH) ed etanolo (CH3CH2OH) ionizzati sotto l’azione di forti impulsi laser. Crediti: Marcos Dantus et al, Nature Communications

Un team di ricercatori della Michigan State University ha cercato di  fare luce sui meccanismi chiave che portano alla produzione dello ione triidrogeno, H3+: una molecola fondamentale per l’evoluzione dell’universo così come lo conosciamo. l risultati della ricerca, effettuati utilizzando un laser ultra veloce al femtosecondo, sono pubblicati su Nature Communications.

Lo ione triidrogeno H3+ – chiamato anche catione idrogenonio – è uno dei cationi triatomici più abbondanti nell’universo. E stato scoperto sia nelle nubi molecolari che nel mezzo interstellare diffuso, ma è presente anche nella ionosfera terrestre. Il catione ha una struttura tridimensionale triangolare, costituita da tre atomi di idrogeno con tre protoni e due elettroni, dunque con un elettrone in meno rispetto ai protoni presenti, da cui il segno ‘+’ nella molecola, a sottolineare l’eccesso di carica positiva. La molecola svolge un ruolo cruciale nella chimica interstellare: facilita, infatti, la formazione di molecole come acqua e idrocarburi. Tuttavia, in natura questo ione viene prodotto molto velocemente: meno del tempo impiegato da un proiettile per attraversare un atomo. Troppo poco per capire come i tre legami che caratterizzano la molecola si formino utilizzando qualsiasi strumento diverso da quello presente in un laboratorio. Ecco perché, per individuare i meccanismi che portano alla sua formazione, si cerca di ricreare la molecola artificialmente.

È ciò che ha fatto il team di ricercatori in questo studio. Utilizzando un laser ultraveloce – uno strumento che permette di osservare la formazione dello ione con misurazioni al femtosecondo (un milionesimo di miliardesimo di secondo) – hanno potuto ottenere dettagli sulla formazione del catione a partire da diversi composti alcolici: metanolo, etanolo, 1-propanolo, 2-propanolo e tert-butano, eccitati da forti impulsi laser. Il processo è stato osservato in un intervallo di tempo compreso tra i 100 e 240 femtosecondi.

I risultati ottenuti hanno mostrato  la chimica responsabile della formazione di H3+, quantomeno per due dei cinque composti di partenza: metanolo ed etanolo. Non solo: gli impulsi laser che hanno colpito le molecole di partenza sono paragonabili a onde sonore, e questo ha consentito ai ricercatori di scoprire quale “melodia” incrementava la  formazione di H3+ e quali, invece, la riduceva.

Nel meccanismo osservato, a partire dai due composti generatori, si produceva idrogeno molecolare che successivamente estraeva l’atomo di idrogeno necessario per formare H3+. Per essere più precisi, gli impulsi utilizzati dagli scienziati hanno prodotto la ionizzazione di metanolo ed etanolo con formazione di idrogeno molecolare, H2. Questo, come potete vedere nello schema d’apertura (va letto dal basso verso l’alto), ha successivamente “strappato” uno ione H+ alle molecole ionizzate instabili da cui si è prodotto, formando, infine, lo ione triidrogeno. Inoltre, per un esperimento effettuato a partire dall’etanolo, i ricercatori hanno rilevato sei potenziali percorsi di formazione dello ione, confermandone quattro. 

«Studiare come l’idrogeno molecolare H2 si evolva in ione triidrogeno è a dir poco straordinario», dice Marcos Dantus, professore di chimica e fisica della Michigan State University e coautore dell’articolo. «Per prima cosa abbiamo documentato il processo di formazione utilizzando metanolo, ora siamo stati capaci di  espandere e duplicare il processo utilizzando altre molecole di partenza, identificando una serie di nuovi percorsi di formazione».

La chimica mostrata dallo studio può essere rilevante anche per la formazione di acqua e molecole organiche nell’universo. È una chimica fatta di reazioni importanti – «i mattoni per la costruzione della vita nell’universo», li definisce dice Dantus. «La prevalenza di molecole di idrogeno “vaganti” (roaming, in inglese) nelle reazioni chimiche ad alta energia che coinvolgono molecole organiche e ioni inorganici è rilevante non solo per le sostanze irradiate con laser, ma anche per sostanze e tessuti irradiati con raggi X, elettroni ad alta energia, positroni e altro».

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