En los últimos años, los científicos han desarrollado herramientas increíbles: "cámaras" que usan rayos X o electrones en lugar de luz ordinaria ¬- para tomar instantáneas de moléculas de movimiento rápido y encadenarlas en películas moleculares.
Ahora los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han agregado otro giro: al ajustar sus láseres para golpear las moléculas de yodo con dos fotones de luz a la vez en lugar del fotón único habitual, desencadenaron fenómenos totalmente inesperados que fueroncapturado en películas en cámara lenta de solo trillonésimas de segundo.
La primera película que hicieron con este enfoque, descrita el 17 de marzo en Revisión física X , muestra cómo los dos átomos en una molécula de yodo se mueven de un lado a otro, como si estuvieran conectados por un resorte, y algunas veces se separan cuando son impactados por una luz láser intensa. La acción fue capturada por la fuente de luz coherente Linac LCLS del laboratorioLáser de rayos X de electrones libres. Algunas de las respuestas de las moléculas fueron sorprendentes y otras se habían visto antes con otras técnicas, dijeron los investigadores, pero nunca con tanto detalle ni tan directamente, sin depender de un conocimiento avanzado de cómo deberían ser..
Los análisis preliminares de moléculas más grandes que contienen una variedad de átomos sugieren que también se pueden filmar de esta manera, agregaron los investigadores, lo que arroja nuevos conocimientos sobre el comportamiento molecular y llena un vacío en el que los métodos anteriores se quedan cortos.
"La imagen que obtuvimos de esta manera fue muy rica", dijo Philip Bucksbaum, profesor de SLAC y Stanford e investigador del Stanford PULSE Institute, quien dirigió el estudio con el científico posdoctoral Matthew Ware de PULSE. "Las moléculas nos dieron suficiente informaciónque se puede ver que los átomos se mueven en distancias de menos de un angstrom, que es aproximadamente del ancho de dos átomos de hidrógeno, en menos de una billonésima de segundo. Necesitamos una velocidad de obturación muy rápida y alta resolución para ver este nivelde detalles, y en este momento eso solo es posible con un láser de rayos X de electrones libres como LCLS ".
fotones de doble cañón
Las moléculas de yodo son un tema favorito para este tipo de investigación porque son simples: solo dos átomos conectados por un enlace químico elástico. Estudios anteriores, por ejemplo con la "cámara de electrones" de SLAC, han probado su respuesta a la luz. Perohasta ahora esos experimentos se han establecido para iniciar el movimiento en moléculas que usan fotones individuales o partículas de luz.
En este estudio, los investigadores ajustaron la intensidad y el color de un láser infrarrojo ultrarrápido para que aproximadamente una décima parte de las moléculas de yodo interactuaran con dos fotones de luz, lo suficiente como para hacerlos vibrar, pero no lo suficiente como para quitarles los electrones.
Cada golpe fue seguido inmediatamente por un pulso láser de rayos X de LCLS, que se dispersó de los núcleos atómicos del yodo y dentro de un detector para registrar cómo reaccionó la molécula. Al variar el tiempo entre los pulsos de luz y rayos X, los científicos crearonuna serie de instantáneas que se combinaron en una película de acción de parada de la respuesta de la molécula, con cuadros de solo 50 femtosegundos, o millonésimas de una billonésima de segundo, aparte.
Los investigadores sabían que entrar al golpear las moléculas de yodo con más de un fotón a la vez provocaría lo que se conoce como una respuesta no lineal, que puede desviarse en direcciones sorprendentes ". Queríamos ver algo más desafiante, cosas que pudiéramosvean que podría no ser lo que planeamos ", como lo expresó Bucksbaum. Y eso es lo que encontraron.
vibraciones inesperadas
Los resultados revelaron que la energía de la luz disparó las vibraciones, como se esperaba, con las dos moléculas de yodo acercándose rápidamente y alejándose unas de otras. "Es un efecto realmente grande, y por supuesto lo vimos", dijo Bucksbaum.
Pero otro tipo de vibración mucho más débil también apareció en los datos, "un proceso que es lo suficientemente débil como para no haber esperado verlo", dijo. "Eso confirma el potencial de descubrimiento de esta técnica".
También pudieron ver qué tan separados estaban los átomos y hacia dónde se dirigían al comienzo de cada vibración, ya sea comprimiendo o extendiendo el enlace entre ellos, así como cuánto tiempo duró cada tipo de vibración.
En solo un pequeño porcentaje de las moléculas, los pulsos de luz enviaron a los átomos de yodo a volar en lugar de vibrar, disparándose en direcciones opuestas a velocidades rápidas o lentas. Al igual que con las vibraciones, se esperaban los vuelos rápidos, pero los lentoslos que no.
Bucksbaum dijo que espera que los químicos y los científicos de materiales puedan hacer un buen uso de estas técnicas. Mientras tanto, su equipo y otros en el laboratorio continuarán enfocándose en desarrollar herramientas para ver más y más cosas en las moléculas y comprendercómo se mueven. "Ese es el objetivo aquí", dijo. "Somos los cinematógrafos, no los escritores, productores o actores. El valor de lo que hacemos es permitir que sucedan todas esas otras cosas, trabajando en sociedad con otroscientíficos."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Original escrito por Glennda Chui. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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