Laser chimici e laser nella chimica

Un laser chimico. Imagecredit: crossdaddy20

Appena mezzo secolo dopo la sua scoperta, il laser oggi è diventato uno strumento ubiquitario e grazie alla sua flessibilità multifunzionale, decodifica i codici a barre, legge e scrive CD, DVD e Blu Ray, consente nuove tecniche di chirurgia oculare e odontoiatrica, serve come puntatore per armi e anche nelle presentazioni in Powerpoint, con il laser si possono stampare documenti, tagliare il tessuto e modellare i metalli con precisione, fino alle ultime applicazioni in via di sperimentazione come l’innesco della fusione nucleare, per citare solo alcune tra le decine e decine di applicazioni. Tuttavia il sospetto è che questa sia solo la punta di un enorme iceberg, la cui base giace ancora pressoché inesplorata o poco nota, e le applicazioni del laser a cui siamo abituati nascondono impieghi del tutto inusuali e imprevisti, sempre più coinvolti nella ricerca scientifica e nei laboratori più avanzati, anche e soprattutto chimici.

Una cella di Herriott consente il ricircolo ripetuto di un raggio laser. Questa foto ha fruttato il Technical Award per l'eccellenza nella comunicazione al suo fautore. Imagecredit: Joshua Smith

La tecnologia L.A.S.E.R. (non dimentichiamo che è un acronimo per Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - amplificazione di luce mediante emissione stimolata di radiazione) ha rivoluzionato molte branche della scienza e della tecnologia, e questa sovversione si avverte chiaramente nella chimica dove è ormai diventato uno strumento essenziale. La chimica è una disciplina che studia la materia e le sue trasformazioni, pertanto proprio in questo settore la tecnologia laser gioca un ruolo così cruciale. Infatti grazie al laser è possibile caratterizzare la materia misurandone proprietà e composizione, ma è anche possibile sfruttarne le caratteristiche per indurre e rilevare trasformazioni della materia in tempo reale, come ad esempio nelle situazioni estreme della femtochimica, dove interessano le cinetiche delle reazioni chimiche per intervalli di tempo nell’ordine dei femtosecondi (10^–15 secondi).

Risulta quindi meno incredibile che le connessioni tra il laser e la chimica in questo settore siano molteplici. In primo luogo abbiamo il cosiddetto laser chimico che ovviamente riconduce direttamente alla chimica, e nella fattispecie impiega l’energia di una reazione chimica per l’alimentazione del raggio. Ad esempio nel laser HF (acido fluoridrico) viene sfruttata la reazione che si verifica in una miscela di flussi di idrogeno e fluoro gassosi convogliati in una cavità ottica in modo da produrre molecole di acido fluoridrico ad alta energia vibrazionale (HF^‡), le quali infine generano un raggio intenso e controllabile nel campo dell’infrarosso.

Il laser HF è in grado di emettere un fascio continuo con potenza dell’ordine dei megawatt a lunghezze d’onda comprese tra 2,7-2,9 µm, che però è fortemente limitato dall’assorbimento atmosferico e, a meno di non usarlo nel vuoto, la sua potenza si riduce con la distanza. Per questo motivo si è pensato di sostituire l’idrogeno con deuterio, che produce un raggio a 3,8 µm utilizzabile anche per operazioni nell’atmosfera terrestre. In questo caso nella camera di combustione che sembra quasi quella di un razzo, un flusso di etilene brucia in un ambiente saturo di trifluoruro di azoto. Nella reazione si formano radicali liberi e molto eccitati di fluoro (F^*) che reagiscono con il deuterio iniettato nel flusso, stimolando l’emissione di fotoni coerenti nella sezione del risonatore ottico. Laser di questo tipo trovano larga applicazione nel settore bellico.

Un altro esempio è il laser a eccimeri, in cui molecole ioniche e reazioni a stati eccitati inducono un’inversione della popolazione, un fenomeno che coinvolge gruppi di corpi elementari (come atomi, molecole o particelle) in cui si formano più corpi allo stato eccitato di quelli che posseggono minore energia. In questo caso l’emissione risultante si trova nel campo dell’ultravioletto. Laser a eccimeri sono impiegati principalmente nelle saldature di precisione, nei laboratori di ricerca e in oftalmologia per trattamenti di chirurgia oculare.

Un secondo legame tra il laser e la chimica implica l’impiego di strumenti analitici che dispongono del laser come sorgente o rivelatore, per l’analisi dei campioni e la loro caratterizzazione. I punti di forza del laser in questo specifico settore si possono riassumere tramite le notevoli proprietà specifiche che il laser offre rispetto alle sorgenti luminose tradizionali:

• elevata luminosità
• facilità di selezionare raggi monocromatici
• alta possibilità di dirigere il raggio
• possibilità di controllare la polarizzazione
• si producono raggi coerenti nel tempo e nello spazio
• possibilità di monitorare cinetiche molecolari nel campo dei femtosecondi

Entrando più nel dettaglio, la luminosità consente non solo un miglioramento del rapporto segnale-rumore (S/N), ma influisce in maniera rilevante nella capacità di sondare e registrare tracce di specie chimiche transienti, intermedi di reazione, frammenti derivati dalla fotodissociazione, ecc. La radiazione emessa da un laser è monocromatica e in molti casi è sintonizzabile,  il che fornisce un ottimo presupposto per l’impiego nella spettroscopia laser ad alta risoluzione. Le interazioni tra i raggi e le molecole possono risultare molto selettive, arrivando addirittura all’individuazione di stati quantici specifici, e permettendo ai chimici di indagare quali livelli energetici possono influenzare la reattività di un tipo particolare di movimento molecolare. Anche i processi fotochimici possono essere condotti con un controllo tale da separare singoli isotopi o anche scrivere con tratto sottile di dimensioni molecolari su una superficie microscopica. L’output di un laser può essere o meno polarizzato, una caratteristica che indica l’orientamento delle oscillazioni delle onde elettromagnetiche. Quando un raggio polarizzato interagisce con gli “attori” di una reazione chimica è possibile indagare nel profondo dei loro effetti stereodinamici. Ad esempio, cambiando il piano di polarizzazione del raggio laser usato per eccitare un reagente, si può alterare la simmetria della geometria di collisione, ottenendo prodotti di reazione differenti.

Il carattere coerente del laser si riflette nella funzione di distribuzione dei fotoni, generando un picco molto stretto a differenza di una sorgente luminosa tradizionale che fornisce una dispersione di tipo caotico. Questo fa si che un laser sia particolarmente adatto per i processi in cui è importante l’assorbimento multiplo di fotoni per l’implementazione di metodi in spettroscopia molecolare (per il monitoraggio di processi chimici) e nelle nuove tecniche di chimica analitica tramite laser, di cui fra le più sfruttate vi è la REMPI (resonance enhanced multiphoton ionization).

Il terzo e ultimo (per ora) legame del laser nel campo della chimica si attua con l’innesco e il controllo delle reazioni, soprattutto nella moderna fotochimica oltre ad ulteriori applicazioni tecnologiche. Ad esempio a questa categoria appartiene la dissociazione a fotoni multipli dell’esafluoruro di zolfo da parte di un laser IR, una tecnica che fornisce il mezzo per separare i due isotopomeri ³²SF₆ e ³⁴SF₆ di cui è composto, in natura ripartiti con un abbondanza di 95% e 4% per i corrispondenti isotopi dell zolfo, rispettivamente.

Complice un rapido sviluppo delle tecniche della Chimica Laser e della flessibilità nelle sue applicazioni che ne estendono il campo verso la biologia, la medicina, le scienze ambientali e nei moderni processi tecnologici, questo settore è il risultato di una consistente multidisciplinarietà con elevato impatto nella ricerca. Di questo argomento si trovano importanti tracce anche nelle riviste scientifiche, fra le quali spicca Laser Chemistry (ed. Hindawi) completamente in open access. Da questo pulpito si propaga un accorato call for paper di cui volentieri vi rilancio l’appello proposto da Stefano Legnaioli, ricercatore presso l’Istituto di Chimica dei Composti Organo-metallici (ICCOM-CNR) presso la sezione operativa di Pisa, sulle Applicazioni della Laser Chemistry per i beni culturali. Il Dr. Legnaioli annuncia il prossimo imminente numero speciale dal titolo “Applications of Laser Chemistry for Cultural Heritage” che sarà pubblicato nel numero di febbraio del 2012. Il termine per la presentazione degli articoli è il 15 Agosto 2011, e la partecipazione è aperta sia per articoli originali di ricerca che review. Altre informazioni sono reperibili nel bando ufficiale.
Per coloro che invece voglio approcciare l’argomento in termini diciamo più didattici, consiglio di sfogliare l’e-book disponibile su google-libri che ci mette a disposizione un’ampia anteprima, decisamente prezioso anche per la stesura di questo articoletto. LASER CHEMISTRY – Spectroscopy, Dynamics and Applications di Helmut H. Telle, Angel Gonzalez Urena e Robert J. Donovan, disponibile sul sito dell’editore (Wiley & Sons Ltd.), è un volume di 517 pagine in cui si fornisce una approfondita introduzione del soggetto che, pur essendo scritto per studenti e non esperti, richiede una conoscenza delle basi di chimica e fisica correlate, e guida con estrema perizia il lettore attraverso i concetti teorici e trattando al tempo stesso l’approfondimento delle tecniche chiave e le loro applicazioni.