Los científicos han hecho un avance significativo hacia la realización de películas de procesos atómicos extremadamente rápidos con aplicaciones potenciales en producción de energía, química, medicina, ciencia de materiales y más. Utilizando una "cámara de electrones" súper rápida y de alta resolución, un nuevo instrumento para electrones ultrarrápidosdifracción UED en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, los investigadores han capturado las imágenes UED más rápidas del mundo de moléculas de nitrógeno que giran en un gas, con una velocidad de obturación récord de 100 cuadrillonésimos de segundo.
Los científicos han soñado con observar los fenómenos más pequeños y rápidos de la naturaleza en tiempo real. Por ejemplo, observar las biomoléculas facilita las reacciones químicas que sostienen la vida a alta velocidad y con detalles atómicos podría enseñar a los científicos nuevas formas de producir catalizadores químicos eficientes. Sin embargo, la mayoría está disponiblelas técnicas sobresalen a velocidad o detalle, no ambas.
"Nuestro nuevo instrumento UED puede hacer ambas cosas: logra una combinación sin precedentes de resolución atómica y velocidad extraordinaria", dijo el investigador Xijie Wang, líder del equipo UED de SLAC y coautor de un nuevo estudio publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza . "Hemos tomado instantáneas UED de movimientos atómicos en gases más rápido que nunca y hemos demostrado el potencial de la tecnología para hacer películas moleculares de reacciones químicas".
Chi-Chang Kao, director de SLAC, dijo: "UED es una adición importante a la cartera excepcional de técnicas ultrarrápidas del laboratorio, que complementa nuestro láser de rayos X, la fuente de luz coherente Linac, y permite una investigación innovadora en sistemas dinámicos complejos con una amplia gamaimplicaciones para la química, las biociencias y los materiales futuros ". LCLS es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
Una 'cámara de electrones' para visión ultrarrápida y ultrarrápida
UED utiliza un haz enfocado de electrones altamente energéticos para sondear muestras, en este caso, una corriente de gas nitrógeno excitado por láser. Los gases son sistemas modelo ideales para estudiar procesos en química. Los electrones dispersan los átomos en la muestra y generan unpatrón en un detector que los investigadores usan para determinar dónde se encuentran los átomos de la muestra. Al variar el tiempo entre la excitación del láser y el haz de electrones, que viene en haces de electrones muy cortos, los científicos pueden rastrear cambios rápidos en el patrón que corresponden a movimientos rápidosde los átomos.
Si bien la técnica en sí no es nueva, UED ha sido desarrollada por varios grupos en todo el mundo desde la década de 1980, nunca se ha hecho a esta velocidad para los gases.
"Cuando se trata de estudios de gases, el instrumento de SLAC es aproximadamente cinco veces más rápido que cualquier otra máquina UED", dijo Jie Yang de la Universidad de Nebraska, Lincoln, quien dirigió el estudio con Markus Guehr, investigador de SLAC yen la Universidad de Potsdam en Alemania. "Este salto en el rendimiento se debe a la fuente de electrones de alta energía superior del instrumento, que se desarrolló originalmente para LCLS de SLAC. Nos ayudará a comprender mejor una gama completamente nueva de procesos rápidos a nivel atómico".
Tomando instantáneas de 'ecos moleculares'
En el nuevo estudio, el equipo de investigación demostró el excelente rendimiento del instrumento al capturar la rápida rotación de las moléculas de nitrógeno en un gas.
Cada molécula consta de dos átomos de nitrógeno conectados a través de un enlace químico fuerte. A medida que las moléculas en el gas giran, normalmente apuntan en direcciones aleatorias. Pero golpearlas con un pulso láser extremadamente corto hace que todas apunten brevemente en la misma direcciónAunque se desalinean rápidamente, periódicamente se alinean nuevamente en una especie de "eco molecular".
"Cuando las moléculas de nitrógeno se alinean nuevamente, también cambian rápidamente de apuntar en una dirección a apuntar en la dirección perpendicular", dijo Yang. "Esta transición toma solo 300 cuatrillonésimas de segundo". El equipo pudo capturareste proceso porque la "velocidad de obturación" del instrumento UED fue tres veces más rápida que los cambios en la alineación.
Guehr dijo: "Todo el proceso se había estudiado con otros métodos antes, pero nuestra investigación es la primera en visualizarlo en tiempo real y con una resolución lo suficientemente detallada como para separar las posiciones de los dos núcleos de nitrógeno en las moléculas".
Hacia películas de química en acción
Los investigadores esperan usar la tecnología en el futuro cercano para filmar moléculas a medida que vibran y observan cómo se rompen y se forman enlaces químicos durante las reacciones químicas.
"También esperamos combinar UED con estudios ultrarrápidos complementarios en LCLS", dijo Wang. "Los electrones nos informan sobre la estructura de un material, mientras que los rayos X nos dicen más sobre su función. Unir ambos nos dará máscuadro completo en estudios innovadores de todo tipo de procesos dinámicos complejos en la naturaleza "
La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencia del DOE, el Fondo de Desarrollo del Programa de Iniciativas SLED UED / UEM y la Fundación Nacional de Ciencias.
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Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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