Para comprender completamente la dinámica durante una reacción química, los científicos deben poder estudiar todos los movimientos de átomos y moléculas en su escala de tiempo básica.
Las moléculas giran en el rango de picosegundos 10-12 s, sus átomos vibran en el rango de femtosegundos 10-15 s, y los electrones se mueven en el rango de attosegundos 10-18 s. Profesor ETH HansJakob Wörner y su grupo ahora han logrado generar el pulso láser más corto del mundo con una duración de solo 43 attosegundos. En términos más generales, este pulso láser es el evento controlado más corto que jamás haya sido creado por humanos. Los investigadores ahora pueden observar en altodetalle cómo se mueven los electrones dentro de una molécula o cómo se forman los enlaces químicos.
Desglosando los estados de transición
A partir de un láser infrarrojo, los investigadores generan un pulso láser de rayos X blando con un ancho de banda espectral muy grande. Como resultado, se pueden observar directamente varios elementos, incluidos el fósforo y el azufre, excitando sus electrones de capa interna. Ambos elementos sonpresente en biomoléculas, y ahora es posible observarlas con una resolución de tiempo sin precedentes.
¿Pero cuál es la ventaja de poder observar los pasos de reacción ahora con una resolución aún mayor? "Cuanto más rápido se puede realizar una transferencia de carga, más eficientemente puede producirse una reacción", dice el profesor Wörner. El ojo humano, por ejemploes muy eficiente cuando se trata de convertir fotones en señales nerviosas. En la rodopsina, un pigmento visual en la retina, la molécula fotosensible retiniana se organiza de manera tal que su estructura puede cambiar extremadamente rápido a través de la absorción de un solo fotón.permite el proceso visual incluso en el crepúsculo. Una reacción mucho más lenta haría imposible la visión, porque la energía del fotón se convertiría en calor en solo unos pocos picosegundos.
La espectroscopía de attosegundos podría contribuir al desarrollo de células solares más eficientes, ya que ahora es posible por primera vez seguir el proceso de excitación a través de la luz solar hasta la generación de electricidad paso a paso. Una comprensión detallada de la ruta de transferencia de carga podríaayuda a optimizar la eficiencia de la próxima generación de elementos fotosensibles.
manipulación óptica del proceso de reacción
Explica el profesor Wörner la espectroscopía láser de attosegundo no solo es adecuada para la mera observación. Las reacciones químicas también se pueden manipular directamente: el uso de un pulso láser puede alterar el curso de una reacción, incluso los enlaces químicos se pueden romper al detener el cambio de cargaen una determinada ubicación de la molécula. Tales intervenciones específicas en reacciones químicas no han sido posibles hasta ahora, ya que la escala de tiempo del movimiento de electrones en las moléculas no se había alcanzado previamente.
El grupo del Prof. Wörner ya está trabajando en la próxima generación de pulsos láser aún más cortos. Esto permitirá grabar imágenes aún más detalladas y, gracias a un espectro de rayos X más amplio, se pueden probar aún más elementos que antesPronto será posible seguir la migración de electrones en moléculas más complejas con una resolución de tiempo aún mayor.
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Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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