È il processo biologico attraverso cui alghe, piante e alcuni batteri convertono l’energia luminosa del Sole in energia chimica utilizzabile dall’organismo. Un fenomeno abbastanza familiare, quello della fotosintesi. Meno nota, invece, è la velocità alla quale avvengono gli eventi chimico-fisici che la caratterizzano, di molto superiore a quella dei più moderni computer. Riuscire a osservare l’evoluzione di tali eventi in tempo reale è quindi un’impresa quanto mai difficile. Ma la difficoltà non ha scoraggiato un’équipe di fisici italiani del Laboratorio Nazionale per l’Ottica Ultrarapida e Ultraintensa (Ultras) del centro di ricerca e sviluppo dell’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia (Infm) che la ha affrontata in compartecipazione con il dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e in collaborazione con diversi laboratori internazionali. E con buoni risultati: “Con il nostro lavoro”, spiega Sandro De Silvestri, direttore di Ultras e coordinatore della ricerca pubblicata su Science, “abbiamo ottenuto due cose: i flash di luce visibile più brevi al mondo, risultato che abbiamo sfruttato per fotografare – ed è la prima volta – l’evento primario della fotosintesi clorofilliana, cioè l’assorbimento della luce da parte di particolari molecole chiamate carotenoidi”.De Silvestri e colleghi hanno fissato il nuovo record di durata per impulsi di luce laser nel visibile a circa tre femtosecondi, tre milionesimi di miliardesimo di secondo. “Per arrivare a questo risultato”, spiega il fisico milanese, “siamo anzitutto partiti da una sorgente laser già in grado di emettere un impulso di 20 femtosecondi, il quale copre una quantità di spettro visibile abbastanza ristretta. Per avere impulsi più brevi è stato necessario aumentare questo spettro di luce, ottenere cioè più frequenze”. Con una particolare tecnica messa a punto dal gruppo italiano, l’impulso laser iniziale è stato incanalato dentro un sistema di due capillari di quarzo, ciascuno con un diametro di quattro decimi di millimetro, riempiti di un “gas nobile” come l’argon. “L’interazione tra impulso e atomi del gas”, spiega De Silvestri, “ha dato luogo alla cosiddetta modulazione di fase, un fenomeno per il quale l’energia dell’impulso è stata distribuita su frequenze che prima non esistevano”. Così, in uscita dai tubi di quarzo, l’impulso si è presentato con uno spettro allargato: “A questo punto però”, prosegue De Silvestri, “le nuove frequenze non erano ancora in fase tra loro: alcune arrivavano prima, altre arrivavano dopo”. L’ultimo passo, quello della “rifasatura”, è stato compiuto con la collaborazione degli scienziati del Politecnico di Zurigo, i quali hanno messo a disposizione un cristallo ottico in grado di riassettare in modo adeguato le frequenze. E finalmente l’impulso da record ha fatto la sua breve ma intensa comparsa.Grazie ai laser ultrarapidi, i ricercatori italiani hanno potuto “filmare”, con l’assistenza dei biologi dell’Università di Glasgow, le primissime fasi della fotosintesi clorofilliana. I protagonisti delle riprese sono i carotenoidi, molecole con catene di quaranta atomi di carbonio, il cui compito è quello di catturare la luce – e quindi l’energia luminosa – del Sole, per poi trasferirla alla clorofilla, il pigmento tramite il quale si innescano le reazioni chimiche del processo fotosintetico. Quando i carotenoidi assorbono la luce solare si eccitano, raggiungono cioè un livello di energia relativamente alto. Successivamente, all’atto del travaso energetico alla clorofilla, i carotenoidi si vengono a trovare in un secondo livello di energia, quello finale o di “rilassamento”. “Eccitando queste molecole con i nostri impulsi laser al posto della luce solare”, afferma De Silvestri, “abbiamo scoperto un loro stato energetico intermedio, di cui si presupponeva l’esistenza ma che nessuno aveva mai osservato”. Di fatto, il passaggio tra il livello iniziale di energia dei carotenoidi e quello intermedio è estremamente veloce, all’incirca 50 femtosecondi. E dunque, senza una sonda luminosa abbastanza rapida una tale transizione non si può vedere. “Anche questo stato intermedio”, puntualizza De Silvestri, “interviene nel trasferimento di energia dai carotenoidi alla clorofilla. Un meccanismo che, dopo le nuove osservazioni, andrà necessariamente rivisto”.Non è certo con la fotosintesi che si esauriscono le potenzialità applicative delle sofisticate tecnologie laser sviluppate dall’équipe di Ultras. La disponibilità di impulsi di luce ultrabrevi permette infatti di caratterizzare, su una scala di tempi finora inesplorata, svariati processi fondamentali in fisica, chimica e biologia. “Tra questi”, conclude De Silvestri, “sono stati già avviati diversi studi su nanostrutture a semiconduttore e su polimeri per la realizzazione di dispositivi opto-elettronici con tempi di risposta molto rapidi”. I flash di luce a pochi femtosecondi consentono poi di indagare più a fondo importanti meccanismi come i processi primari nella dinamica di particolari proteine. “Con simili impulsi”, aggiunge De Silvestri, “è possibile osservare in tempo reale i moti vibrazionali delle molecole. E, verosimilmente, si potranno guidare le reazioni chimiche”.
