Con una cámara de electrones extremadamente rápida en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, los investigadores han realizado la primera "película" de alta definición de moléculas en forma de anillo que se abren en respuesta a la luz. Los resultados podrían ampliar nuestra comprensión dereacciones similares con roles vitales en la química, como la producción de vitamina D en nuestros cuerpos.
Una película molecular anterior de la misma reacción, producida con el láser de rayos X de la fuente de luz coherente Linac LCLS de SLAC, registró por primera vez los grandes cambios estructurales durante la reacción. Ahora, haciendo uso de la difracción de electrones ultrarrápida del laboratorio UED, estos nuevos resultados proporcionan detalles de alta resolución, que muestran, por ejemplo, cómo se rompe un enlace en el anillo y los átomos se agitan durante largos períodos de tiempo.
"Los detalles de esta reacción de apertura del anillo ya se han resuelto", dijo Thomas Wolf, científico del Stanford Pulse Institute of SLAC y la Universidad de Stanford y líder del equipo de investigación. "El hecho de que ahora podemos medir directamente los cambiosen distancias de enlace durante las reacciones químicas nos permite hacer nuevas preguntas sobre procesos fundamentales estimulados por la luz ".
El científico de SLAC Mike Minitti, que participó en ambos estudios, dijo: "Los resultados demuestran cómo nuestros instrumentos únicos para estudiar procesos ultrarrápidos se complementan entre sí. Donde LCLS sobresale en la captura de instantáneas con velocidades de obturación extremadamente rápidas de solo unos pocos femtosegundos, omillonésimas de una billonésima de segundo, UED aumenta la resolución espacial de estas instantáneas. Este es un gran resultado, y los estudios validan los hallazgos de los demás, lo cual es importante cuando se utilizan herramientas de medición completamente nuevas ".
El Director de LCLS, Mike Dunne, dijo: "Ahora estamos poniendo el instrumento UED de SLAC a disposición de la comunidad científica amplia, además de mejorar las capacidades extraordinarias de LCLS al duplicar su alcance de energía y transformar su tasa de repetición. La combinación de ambas herramientas de manera únicanos posiciona para permitir los mejores estudios posibles de procesos fundamentales en escalas ultrapequeñas y ultrarrápidas "
El equipo informó sus resultados hoy en Química de la naturaleza .
Película molecular en HD
Esta reacción particular se ha estudiado muchas veces antes: cuando una molécula en forma de anillo llamada 1,3-ciclohexadieno CHD absorbe la luz, se rompe un enlace y la molécula se despliega para formar la molécula casi lineal conocida como 1,3,5-hexatrieno HT. El proceso es un ejemplo de libro de texto de reacciones de apertura de anillo y sirve como un modelo simplificado para estudiar procesos impulsados por la luz durante la síntesis de vitamina D.
En 2015, los investigadores estudiaron la reacción con LCLS, que dio como resultado la primera película molecular detallada de este tipo y reveló cómo la molécula cambió de un anillo a una forma similar a un cigarro después de ser golpeada por un rayo láser.que inicialmente tenía una resolución espacial limitada, se enfocaron aún más a través de simulaciones por computadora.
El nuevo estudio utilizó UED, una técnica en la cual los investigadores envían un haz de electrones con alta energía, medido en millones de electronvoltios MeV, a través de una muestra, para medir con precisión las distancias entre pares de átomos. Tomar instantáneas de estas distanciasa diferentes intervalos después de un flash láser inicial y el seguimiento de cómo cambian permite a los científicos crear una película de stop-motion de los cambios estructurales inducidos por la luz en la muestra.
El haz de electrones también produce señales fuertes para muestras muy diluidas, como el gas CHD utilizado en el estudio, dijo el científico de SLAC Xijie Wang, director del instrumento MeV-UED. "Esto nos permitió seguir la reacción de apertura del anillo duranteperíodos de tiempo mucho más largos que antes "
Detalles sorprendentes
Los nuevos datos revelaron varios detalles sorprendentes sobre la reacción.
Mostraron que los movimientos de los átomos se aceleraron cuando el anillo de CHD se rompió, ayudando a las moléculas a liberarse del exceso de energía y acelerando su transición a la forma HT estirada.
La película también captó cómo los dos extremos de la molécula HT se movían a medida que las moléculas se volvían más y más lineales. Estos movimientos de rotación continuaron durante al menos un picosegundo, o una billonésima de segundo.
"Nunca hubiera pensado que estos movimientos durarían tanto", dijo Wolf. "Demuestra que la reacción no termina con la apertura del anillo y que hay un movimiento mucho más duradero en los procesos inducidos por la luz quepreviamente pensado "
Un método con potencial
Los científicos también utilizaron sus datos experimentales para validar un enfoque computacional recientemente desarrollado para incluir los movimientos de los núcleos atómicos en las simulaciones de procesos químicos.
"UED nos proporcionó datos que tienen la alta resolución espacial necesaria para probar estos métodos", dijo el profesor de química de Stanford y el investigador de PULSE Todd Martinez, cuyo grupo dirigió el análisis computacional. "Este documento es la prueba más directa de nuestros métodos,y nuestros resultados están en excelente acuerdo con el experimento "
Además de avanzar en el poder predictivo de las simulaciones por computadora, los resultados ayudarán a profundizar nuestra comprensión de las reacciones químicas fundamentales de la vida, Wolf dijo: "Tenemos muchas esperanzas de que nuestro método allane el camino para estudios de moléculas más complejas que son inclusomás cercano a los utilizados en los procesos de la vida "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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