La chimica degli elementi superpesanti, quegli atomi straordinariamente instabili che si collocano ai confini estremi della tavola periodica, potrebbe finalmente rivelare i suoi segreti grazie a una tecnica innovativa messa a punto dai ricercatori del CERN. Il metodo, sviluppato presso la struttura ISOLDE e descritto in uno studio pubblicato su Nature Communications, permette di misurare con estrema precisione l'affinità elettronica utilizzando una quantità di atomi centomila volte inferiore rispetto alle tecniche tradizionali. Si tratta di un progresso che apre scenari inediti non solo per la comprensione della fisica fondamentale, ma anche per applicazioni concrete in campo medico.
Il cuore dell'innovazione risiede in un apparato chiamato MIRACLS, acronimo di multi-ion reflection apparatus for collinear laser spectroscopy. Questo dispositivo funziona come una trappola elettrostatica in cui gli ioni negativi, o anioni, vengono riflessi avanti e indietro tra due specchi elettrostatici, in un movimento che ricorda quello di una pallina da ping-pong. Durante ciascun passaggio, un raggio laser può analizzare gli anioni, moltiplicando esponenzialmente le opportunità di raccogliere dati rispetto ai metodi convenzionali.
L'affinità elettronica rappresenta una delle proprietà più basilari di un elemento chimico: indica l'energia rilasciata quando un elettrone si aggiunge a un atomo neutro formando uno ione negativo. Questa caratteristica determina essenzialmente il modo in cui gli elementi si legano tra loro, governando quindi tutto, dalla combustione del legno all'azione dei farmaci nel nostro organismo. Tuttavia, misurarla negli elementi superpesanti costituisce una sfida monumentale.
Gli elementi superpesanti sono talmente instabili da poter essere prodotti solo in laboratori dotati di acceleratori di particelle, e solo in quantità microscopiche. Per questo motivo, i ricercatori preferiscono affinare le loro tecniche su elementi più leggeri e stabili prima di affrontare questi giganti effimeri della chimica. Il team di ISOLDE ha scelto il cloro per validare il proprio metodo, ottenendo risultati che eguagliano la precisione delle tecniche tradizionali.
Secondo Franziska Maier, autrice principale dello studio, il punto di forza della tecnica sta proprio in questo "riciclaggio" degli anioni. Mentre negli esperimenti convenzionali gli ioni attraversano il fascio laser una sola volta, nel sistema MIRACLS vengono sondati circa 60.000 volte. Questo approccio innovativo consente di raggiungere una precisione comparabile utilizzando una frazione infinitesimale di materiale, rendendo finalmente praticabili le misurazioni sugli elementi superpesanti che vengono prodotti al ritmo di pochi anioni al secondo.
Le implicazioni di questa scoperta vanno ben oltre la pura curiosità scientifica. Come sottolinea Erich Leistenschneider, secondo autore principale della ricerca, le proprietà degli elementi superpesanti potrebbero sfumare i confini tradizionali della tavola periodica. Con l'aumentare del numero di protoni, infatti, entrano in gioco gli effetti relativistici previsti da Einstein, che "rimescolano" la struttura atomica in modi sorprendenti. Non è escluso che la chimica di questi elementi si discosti dalle tendenze periodiche normali, e l'affinità elettronica è proprio una delle proprietà più sensibili a questi fenomeni.
L'applicabilità del metodo MIRACLS si estende anche ad elementi rari sulla Terra come l'attinio e l'astato, entrambi candidati promettenti per la creazione di composti chimici destinati al trattamento dei tumori. La possibilità di caratterizzare con precisione le proprietà di questi elementi potrebbe accelerare lo sviluppo di terapie oncologiche più efficaci e mirate.
Un altro campo che beneficerà di questa innovazione riguarda lo studio delle molecole radioattive e dell'antimateria. La tecnica può essere utilizzata per misurare l'affinità elettronica delle molecole, fornendo dati essenziali per i calcoli teorici che prevedono la loro struttura elettronica. Questi calcoli stanno diventando sempre più importanti nella ricerca sulle simmetrie fondamentali della natura, un territorio di frontiera della fisica contemporanea.