Una cámara de electrones extremadamente rápida en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía ha producido la película atómica más detallada del punto decisivo donde las moléculas impactadas por la luz pueden permanecer intactas o romperse. Los resultados podrían conducir a una mejor comprensiónde cómo las moléculas responden a la luz en procesos que son cruciales para la vida, como la fotosíntesis y la visión, o que son potencialmente dañinos, como el daño del ADN de la luz ultravioleta.
En el estudio, publicado hoy en ciencia , los investigadores observaron un gas cuyas moléculas tienen cinco átomos cada una. Observaron en tiempo real cómo la luz estiraba el enlace entre dos átomos en las moléculas hasta un "punto sin retorno", enviando a las moléculas en un camino que se separaba aún máslos átomos y escindieron el enlace o causaron que los átomos vibren mientras se preserva el enlace.
"Los puntos inicial y final de una reacción química a menudo son obvios, pero es mucho más difícil tomar instantáneas de los pasos rápidos de reacción intermedios", dijo el investigador postdoctoral Jie Yang, autor principal del estudio de la Dirección de Aceleración de SLAC y StanfordPULSE Institute. "La encrucijada donde una molécula puede hacer una cosa u otra es un factor importante para determinar el resultado de una reacción. Ahora hemos podido observar directamente por primera vez cómo se reordenan los núcleos atómicos de una molécula en taluna intersección."
El coautor Todd Martínez, profesor de SLAC y de la Universidad de Stanford e investigador de PULSE, dijo: "El sistema que estudiamos es un paradigma para las reacciones de la luz mucho más complejas en la naturaleza". Por ejemplo, la absorción deLa luz ultravioleta puede dañar el ADN, pero otros mecanismos convierten la energía de la luz en vibraciones moleculares y minimizan el efecto nocivo.
Instantáneas de átomos de ultra alta velocidad en movimiento
Los primeros pasos en las reacciones impulsadas por la luz son extremadamente rápidos. Las moléculas absorben la luz casi instantáneamente, lo que lleva a una rápida reorganización de sus electrones y núcleos atómicos. Para ver qué sucede en tiempo real, los investigadores necesitan cámaras de ultra alta velocidad que puedanmovimientos de "congelación" que ocurren dentro de femtosegundos, o millonésimas de una billonésima de segundo.
La cámara utilizada en el estudio fue un instrumento para la difracción de electrones ultrarrápida UED, en el que un haz de electrones de alta energía sondea el interior de una muestra, generando instantáneas de su arquitectura atómica en diferentes puntos en el tiempo durante una reacción químicaJuntas, estas instantáneas se convierten en una película de los rápidos movimientos atómicos.
En SLAC, los investigadores destellaron con luz láser en un gas de moléculas de trifluoroyodometano y observaron en el transcurso de cientos de femtosegundos cómo los enlaces entre los átomos de carbono y yodo se alargaron hasta un punto en el que el enlace se rompió, separando el yodo de las moléculas,o contraído, activando las vibraciones de los átomos a lo largo del enlace.
"UED fue absolutamente crucial para ver ese punto durante la reacción", dijo el físico Xijie Wang, jefe del programa UED de SLAC y el investigador principal del estudio. "Otros métodos no detectan los movimientos nucleares directamente o no han alcanzado la resoluciónnecesario para hacer este tipo de observación en gases "
Mapeo de paisajes energéticos de reacciones químicas
La observación está de acuerdo con los cálculos que proporcionan una comprensión más profunda de lo que sucede durante la reacción.
La luz láser "energiza" las moléculas, elevándolas de un estado fundamental de baja energía a un estado excitado de mayor energía ver imagen a continuación. Los estados moleculares como estos se pueden describir mediante paisajes energéticos, con montañas de más energía yvalles de menos energía. Como una pelota de golf que rueda sobre un green curvado, las moléculas pueden seguir caminos de reacción en estas superficies.
Cuando los paisajes de diferentes estados moleculares se cruzan, la reacción puede proceder en varias direcciones. Los químicos llaman a este punto una intersección cónica.
De hecho, las moléculas en las intersecciones cónicas existen en varios estados a la vez, una rareza enraizada en el hecho de que las moléculas son pequeños sistemas cuánticos, dijo el coautor Xiaolei Zhu, investigador postdoctoral en PULSE y Stanford. "Podemos predecir estocomportamiento en simulaciones por computadora ", dijo." Ahora también hemos visto directamente que las moléculas se comportan exactamente de esa manera en el experimento ".
El equipo ahora está planeando los próximos pasos. "Continuamos desarrollando el método UED para que podamos observar procesos similares en líquidos", dijo Wang. "Esto nos acercará aún más a comprender las reacciones químicas impulsadas por la luzen ambientes biológicos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Original escrito por Manuel Gnida. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :