Dipartimento di Fisica

Al Dipartimento di Fisica della Sapienza va in scena la ripresa in slow motion del moto atomico
Il concetto di struttura atomica risale a piu di un secolo fa, e lo sviluppo incessante di sofisticate tecniche di microscopia con risoluzione sempre più spinta permette oggi “fotografie atomiche” ad altissima risoluzione.

Una delle grandi sfide scientifiche dei nostri tempi è ‘animare’ queste immagini statiche per osservare il moto atomico durante i processi primari che governano i fenomeni fisici, chimici e biologici, ovvero realizzare un vero e proprio film molecolare. Tale capacità permetterebbe, ad esempio, di seguire le transizioni di fase in fisica, la rottura e la formazione del legame tra atomi e molecule in chimica e la “regolazione allosterica” in biologia, ovvero l’induzione di una funzione biologica – ad esempio in una proteina- attraverso il legame con una piccola molecola.

A livello macroscopico, la transizione dalla fotografia statica alla riproduzione di immagini in movimento è avvenuta nella metà dell’ ottocento, ed ha richiesto meno di un decennio. Tradizionalmente, viene fatta risalire alla prima riproduzione del galoppo di un cavallo, ad opera del fotografo inglese Muybridge, su commissione di L. Stanford, fondatore dell’omonima Università. A livello microscopico le cose sono enormemente più complicate, a causa dell’estrema rapidità del moto atomico che richiede “tempi di esposizione” estremamente brevi, resi difficilmente conciliabili con la necessaria accuratezza spaziale da uno dei cardini della meccanica quantistica, il principio di indeterminazione di Heisenberg.

Una ricerca coordinata dal gruppo Femtoscopy del Dipartimento di Fisica della “Sapienza”, in collaborazione con il Politecnico di Milano e con e l’Ecole Polytechnique di Parigi, ha dimostrato una nuova via per raggiungere la risoluzione spaziale e temporale necessaria, ricostruendo in tempo reale il moto atomico nella Mioglobina, una proteina che ha la funzione di trasportare ossigeno nel tessuto muscolare.

“Nonostante la semplicità della sceneggiatura, l’impresa è stata particolarmente complessa, perché l'atomo nei suoi movimenti è rapidissimo: l’intervallo tra il ciak e il primo fotogramma è durato una manciata di femtosecondi. Basti pensare che la luce – che in un secondo viaggia dalla terra alla luna - in un tempo così piccolo copre una distanza pari alle dimensioni di un batterio”, spiega Tullio Scopigno.

Per giungere a questo risultato, il gruppo di ricerca della Sapienza ha sviluppato la Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy, una innovativa tecnica spettroscopica in grado di fornire informazioni strutturali con altissima risoluzione temporale.

"Abbiamo utilizzato dei flash luminosi di durata brevissima, ottenuti da un laser a femtosecondi, per depositare energia in forma estremamente localizzata all'interno della Mioglobina, una proteina molto importante nei processi di consumo di ossigeno del corpo umano per la produzione di energia. Siamo quindi riusciti ad osservare il dettaglio del conseguente moto vibrazionale che viene innescato dalla eccitazione luminosa, fino al raggiungimento dell’equilibiro termico. " aggiungono Carino Ferrante ed Emanuele Pontecorvo, primi autori dell’articolo appena pubblicato su Nature Chemistry.
Questo importante esperimento, proposto quasi dieci anni fa attraverso un ERC-Starting grant e realizzato grazie al relativo finanziamento, risolve nello specifico una controversia sul trasporto energetico nelle emo-proteine, ed apre una prospettiva nuova per la visualizzazione dei fenomeni ultraveloci nelle biomolecole.