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L'
interazione fra luce e materia è iniziata con la creazione
del mondo. Da quando Dio disse "Sia la luce" [1], la mate-
ria, in certe condizioni, ha iniziato ad emettere luce e la luce ha
cominciato ad essere assorbita dalla materia.
A livello molecolare [2], l'assorbimento di luce visibile od ultra-
violetta porta dallo stato elettronico fondamentale a stati elet-
tronici eccitati (Eq. 1), specie instabili che si disattivano rapida-
mente attraverso tre processi in competizione fra loro: reazio-
ne chimica (Eq. 2), luminescenza (emissione di luce, Eq. 3) e
disattivazione non radiativa (conversione dell'eccesso di ener-
gia elettronica in calore, Eq. 4).
A + h
*A
(1)
*A
P
(2)
*A
A + h
'
(3)
*A
A + calore
(4)
Quando i processi di disattivazione intrinseci di uno stato ecci-
tato (Eq. 2-4) sono "lenti", la molecola eccitata può incontrare
un'altra molecola e dar luogo a processi di trasferimento di
energia (Eq. 5) e/o di elettroni (Eq. 6 e 7):
*A + B
A + *B
(5)
*A + B
A
+
+ B
-
(6)
*A + B
A
-
+ B
+
(7)
Questi ultimi processi sono molto comuni nei sistemi supramo-
lecolari in quanto un componente molecolare, quando è eccita-
to, si trova già vicino ad altri componenti con i quali può scam-
biare velocemente energia e/o elettroni [3, 4]:
A-B + h
*A-B
(8)
*A-B
A-*B
(9)
*A-B
A
+
-B
-
(10)
*A-B
A
-
-B
+
(11)
L'interazione fra luce e materia è utilizzata in Natura per otte-
nere energia o per elaborare informazioni ed, infatti, nel pro-
cesso di fotosintesi la luce solare genera ossigeno ed i prodotti
dell'agricoltura (cioè energia per la vita), mentre nei processi
collegati alla visione fornisce informazioni sul mondo che ci cir-
conda. Allo stesso modo, il duplice aspetto della luce (fonte di
energia o mezzo per elaborare informazioni) può essere sfrut-
tato in processi artificiali per produrre, mediante la luce solare,
elettricità o combustibili (cioè, energia per le "macchine") [5] e
per generare ed elaborare segnali (cioè, informazioni) [6].
Per quanto riguarda quest'ultimo aspetto, l'interazione luce-
materia può essere usata per scrivere o per leggere. La luce
"scrive" sulla materia quando, attraverso la formazione di stati
eccitati, causa reazioni (foto)chimiche che modificano qual-
che proprietà della materia (ad esempio, il colore), mentre la
luce "legge" quando, con la spettroscopia di assorbimento o
con misure di luminescenza, permette di risalire alle caratteri-
stiche della materia arrivando, quindi, a identificare le sostan-
ze presenti in un sistema.
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RICH
MAC
Magazine - Settembre 2003
Il trattamento dell'informazione, che
usualmente avviene mediante segnali
elettrici, cioè attraverso flussi di
elettroni (elettronica), si sta sempre
più spostando verso la possibilità
di usare segnali ottici (fotonica).
Come nel caso dell'elettronica,
si può pensare di sviluppare la
fotonica a livello molecolare ed, infatti,
i primi tentativi in questo campo hanno
portato a risultati concettualmente
interessanti, anche se ancora molto
lontani da applicazioni pratiche.
In questo articolo sono passati
in rassegna alcuni esempi di dispositivi
fotonici a livello molecolare basati
sulla luminescenza.
V. Balzani, A. Credi, M.T. Gandolfi, M. Venturi, Dipartimento di Chimica
"G. Ciamician" - Università di Bologna; Roberto Ballardini, Istituto
ISOF-CNR - Bologna. vbalzani@ciam.unibo.it
Un futuro per la luminescenza
La fotonica molecolare
di Vincenzo Balzani, Alberto Credi, Maria Teresa Gandolfi, Margherita Venturi
Figura 1 - Esempio di un interruttore a livello molecolare