Investigadores logran observar por primera vez una reacción química átomo por átomo
Un equipo internacional de investigadores logró observar por primera vez cómo una molécula redistribuye su energía después de absorber luz. El hallazgo permitió distinguir el papel que desempeña cada átomo durante una reacción química ultrarrápida.
El estudio estuvo liderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), y se publicó en la revista Journal of the American Chemical Society.
La investigación se desarrolló en el European XFEL, en Hamburgo, considerado el láser de rayos X más potente del mundo. Los científicos utilizaron destellos de rayos X para demostrar que distintos átomos de una misma molécula revelan información diferente sobre el mismo proceso químico.
El estudio aportó evidencia de que la excitación provocada por la luz aumenta la sensibilidad de un átomo frente al movimiento de los átomos vecinos. Ese comportamiento permitió seguir la evolución de una reacción química a escala atómica y en tiempo real.
Los investigadores indicaron que este método podría contribuir a comprender fenómenos como la fotoestabilidad del ADN, el transporte de energía en materiales capaces de captar luz y otros procesos fundamentales impulsados por la radiación luminosa.
La investigación se centró en la 3-fluoropiridina, una molécula pequeña con estructura de anillo. Cuando absorbe un pulso corto de luz ultravioleta, entra en un estado electrónicamente excitado y pierde rápidamente su forma plana.
Después atraviesa una intersección cónica, un punto de cruce en el que los movimientos de los electrones y los núcleos atómicos se acoplan de forma intensa. Luego la molécula regresa a su estado fundamental y la energía electrónica se transforma en vibraciones.
El equipo comprobó que esa conversión deja señales diferentes según el átomo analizado. El átomo de flúor funciona como un marcador de la relajación vibracional, mientras que el átomo de nitrógeno refleja una respuesta combinada entre la redistribución electrónica y el movimiento estructural.
Antonio Picón, investigador del ICMM-CSIC y uno de los responsables del estudio, explicó que las señales obtenidas con los pulsos de rayos X demostraron que no todos los sitios atómicos aportan la misma información. Según indicó, algunos átomos muestran hacia dónde se desplaza la carga, mientras otros permiten identificar cómo vibra la molécula.
Para registrar el proceso, el equipo utilizó espectroscopia de fotoelectrones de rayos X resuelta en el tiempo (tr-XPS) en el instrumento Small Quantum Systems (SQS) del European XFEL.
Primero, un pulso de láser ultravioleta excitó las moléculas. Después, un pulso de rayos X blandos, aplicado con un retraso controlado, las ionizó y extrajo electrones fuertemente ligados de los átomos de nitrógeno o de flúor.
Los científicos midieron la energía de esos electrones en múltiples intervalos de tiempo. Con esa información reconstruyeron la evolución del entorno químico local durante apenas unos pocos picosegundos, equivalentes a billonésimas de segundo. Para interpretar los resultados desarrollaron simulaciones y modelos avanzados.
El estudio también confirmó la capacidad de los pulsos ultracortos de rayos X del European XFEL para analizar los movimientos acoplados más rápidos de la materia. Además, el método puede aplicarse al estudio de sistemas más complejos, como moléculas orgánicas funcionales, bloques biomoleculares y materiales energéticos.
Daniel Rivas, antiguo científico del European XFEL y actual científico invitado en el instrumento SQS, afirmó que la instalación fue creada para observar los cambios químicos desde su origen, en sitios atómicos específicos y en su escala temporal natural. También señaló que la combinación de sensibilidad en múltiples sitios atómicos con resolución de femtosegundos abre una nueva vía para estudiar los mecanismos microscópicos responsables de la fotoquímica.
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