Sulle notevoli proprietà ottiche non lineari del licopene naturale del pomodoro

Jun 05, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9078 (2022) Citare questo articolo

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In linea con il rinnovato interesse nello sviluppo di nuovi materiali ottici non lineari (NLO), le proprietà NLO del licopene naturale vengono riportate per la prima volta nella letteratura scientifica. Correlato alla sua conformazione lineare di elettroni π coniugati 1-D, è dimostrato che il licopene naturale mostra una nonlinearità di terzo ordine significativamente elevata χ(3) fino a 2,65 · 10−6 esu, il valore più grande di qualsiasi fito-composto naturale indagato, quindi lontano, compreso il β-carotene. Oltre ad un assorbimento saturabile, il corrispondente effetto di autodefocalizzazione osservato nel licopene sembra essere il risultato di una non linearità termica. La risposta non lineare accoppiata alla fluorescenza osservata nell'intervallo spettrale del visibile indica una potenziale applicazione di terapia fotodinamica, nonché la possibilità di ingegnerizzare nuovi nanomateriali NLO ibridi a base di licopene.

I materiali ottici non lineari (NLO) hanno progredito gradualmente negli ultimi 20 anni, nonostante un'intensa ricerca in corso in vista della scoperta di nuovi materiali NLO1,2,3. Tale ricerca di nuovi materiali NLO è guidata dalle pressanti applicazioni fotoniche tecnologiche legate alle ICT, in particolare nei sistemi logici, tutte le commutazioni ottiche, la conversione di frequenza, l'amplificazione della luce, la bistabilità ottica, tutte le commutazioni ottiche tra gli altri. Inoltre, i materiali NLO sono diventati fondamentali per il loro ruolo critico nell’elaborazione delle informazioni ad alta velocità per affrontare le sfide del ridotto consumo energetico e dell’aumento della velocità e della larghezza di banda nelle varie moderne tecnologie ICT.

I materiali NLO mostrano una significativa suscettibilità ottica di secondo o terzo ordine χ(2) o χ(3). Si possono distinguere famiglie inorganiche e organiche. Tra gli inorganici, beta borato di bario (BaB2O4), titanato di bario (BaTiO3), niobato di litio (LiNbO3), KH2PO3 (KDP), tantalite di litio (LiTaO3) e niobato di potassio (KNbO3) sono materiali di commutazione ottica χ(2) e di raddoppio della frequenza che sono stati studiati per decenni. Tra le sostanze organiche, vi è un gran numero di materiali organici χ(3) e χ(2), inclusi coloranti, dimetilammino nitrostilbene, metil nitroanalina, poli-BCMU, polidiacetileni e urea4. Poiché sono essenzialmente catene, molte molecole organiche possono essere facilmente polarizzate e quindi mostrano suscettibilità di ordine superiore. La polarizzabilità dei materiali organici è spesso aumentata dalla mobilità degli elettroni π delocalizzati nei legami C–C negli anelli aromatici. Allo stesso modo, i materiali ibridi NLO sono stati addirittura progettati combinando componenti organici e inorganici come le metalloftalocianine che mostrano forti assorbimenti nello stato eccitato5,6.

Tra i primi materiali NLO organici si può citare la Cumarina che derivava inizialmente da un composto naturale; la fava tonka7. La famiglia dei coloranti naturali cumarinici è stata all'origine della prima serie di sorgenti laser accordabili; le sorgenti Laser a coloranti. Tuttavia, la molecola della cumarina non è fluorescente, mostra intense proprietà di fluorescenza in seguito alla sostituzione di gruppi funzionali in diverse posizioni. Oltre alla cumarina, è stato riscontrato che diversi composti naturali mostrano una risposta NLO significativa nell'intervallo spettrale VIS e IR, inclusa la clorofilla naturale8,9,10,11.

Come accennato in precedenza, è stato dimostrato che i sistemi di elettroni π quasi 1-D coniugati, come i polimeri semiconduttori, mostrano una risposta NLO di terzo ordine migliorata. Di conseguenza, e poiché il licopene estratto dal frutto del pomodoro possiede una conformazione elettronica di elettroni π 1-D (Fig. 1), dovrebbe mostrare anche una risposta χ (3). Il Licopene da estratto naturale di pomodoro, infatti, è un terpene costituito da 8 molecole di isoprene con una formulazione chimica C40H56. Il licopene del pomodoro è una lunga molecola a catena di carbonio coniugata con elettroni π (Fig. 1). Come nel caso della grande famiglia dei carotenoidi, la struttura portante di tale molecola è costituita da legami singoli e doppi di carbonio alternati12. Più precisamente, il licopene ha 11 doppi legami di carbonio coniugati lungo la sua spina dorsale, due doppi legami non coniugati e nessun gruppo terminale (Fig. 1).