Le scintille danzanti delle lucciole e il bagliore blu che si accende tra le onde del mare nascono quando una piccola struttura molecolare fatta di carbonio e ossigeno si spezza. Un nuovo studio della Stanford University, pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, ha mostrato che la forza meccanica può innescare quella rottura in un modo diverso da quanto si credeva finora. La scoperta riguarda i dioxetani, molecole usate da tempo dai chimici per generare luce, e apre prospettive concrete per lo sviluppo di sensori luminosi e per comprendere meglio la luminescenza che si osserva in natura.
- I ricercatori di Stanford hanno scoperto un nuovo percorso attraverso cui i dioxetani emettono luce sotto forza meccanica.
- Contrariamente alle attese, si rompe prima il legame tra i due atomi di carbonio, poi quello tra gli ossigeni.
- Lo studio suggerisce applicazioni per sensori di stress dei materiali e nuove ipotesi sulla bioluminescenza marina.
Un ordine di rottura inatteso ribalta le previsioni
I dioxetani condividono la stessa struttura di base che permette la luminescenza biologica: due atomi di ossigeno e due di carbonio legati insieme a formare un quadrato. Sia il calore sia la forza meccanica possono spezzare questi legami, provocando l’emissione di luce.
Si sapeva già che il calore rompe per primo il legame tra i due atomi di ossigeno. Gli scienziati davano per scontato che lo stesso accadesse anche sotto sforzo meccanico, dato che il legame tra i due carboni è più forte. Ma quando i ricercatori di Stanford hanno modellato l’applicazione della forza sui dioxetani, hanno osservato l’opposto: a rompersi per primo è il legame tra gli atomi di carbonio, e solo dopo quello tra gli ossigeni.
“È una chimica molto diversa con la forza meccanica”, ha spiegato Todd Martínez, autore senior dello studio e professore di chimica alla Stanford School of Humanities and Sciences. “Emette comunque luce. È solo l’ordine degli eventi a cambiare, e questo apre alla possibilità di ottenere prodotti diversi.”
Come i ricercatori hanno svelato il meccanismo
Ricerche precedenti su una molecola chiamata bis(adamantil)-1,2-diossietano avevano dimostrato che la forza meccanica poteva spezzare la struttura ossigeno-carbonio ed emettere luce, ma si presumeva che a cedere per primi fossero gli ossigeni.
Lo studio attuale ha preso avvio quando Charles Diesendruck, professore in visita a Stanford proveniente dall’Israel Institute of Technology, ha suggerito a Garrett Kukier, dottorando nel laboratorio di Martínez, di guardare più da vicino dove la forza veniva applicata in quegli esperimenti.
Kukier ha quindi sviluppato modelli di meccanica quantistica che riproducevano gli stessi punti di trazione utilizzati negli esperimenti, creando poi ulteriori modelli per altri tipi di dioxetani e variando la direzione della forza applicata. “La reazione che provoca la luminescenza viene completamente modificata dalla forza, e questo ci ha permesso di scoprire un nuovo percorso per emettere luce”, ha detto Kukier. Per rafforzare i risultati, il gruppo ha affiancato ai modelli quantistici un software di ingegneria civile, trattando la struttura molecolare come le travi metalliche di un ponte sotto tensione.
Dai materiali sotto sforzo alle onde luminose del mare
Sapere dove inizia la rottura in questo meccanismo indotto dalla forza apre nuove possibilità applicative. I dioxetani potrebbero essere progettati per emettere luce solo oltre una certa soglia di forza: questo significherebbe poter realizzare sensori che si illuminano per segnalare quando un materiale o una struttura sta raggiungendo un punto di stress e rischia di cedere. Agendo su diversi “punti di presa” della molecola, inoltre, si potrebbero ottenere proprietà specifiche, come l’emissione di colori differenti.
La scoperta potrebbe anche chiarire alcuni misteri del mondo naturale. È già noto che le lucciole producono la loro luce attraverso un processo chimico, ma la forza meccanica potrebbe essere coinvolta nel bagliore blu di certe onde, generato da plancton chiamato dinoflagellati. “Alcune situazioni indotte meccanicamente, come le onde che si infrangono e il plancton che si illumina, potrebbero sfruttare proprio questo percorso completamente diverso che abbiamo appena scoperto”, ha osservato Kukier.
Vi affascina di più l’idea di materiali che si illuminano per avvertire di un pericolo o il mistero del mare che brilla di notte? Raccontateci la vostra opinione nei commenti.
