El primer paso en muchas reacciones químicas impulsadas por la luz, como las que impulsan la fotosíntesis y la visión humana, es un cambio en la disposición de los electrones de una molécula a medida que absorben la energía de la luz. Esta sutil reorganización allana el camino para todo lo que siguey determina cómo procede la reacción.
Ahora los científicos han visto este primer paso directamente por primera vez, observando cómo la nube de electrones de la molécula se hincha antes de que responda cualquiera de los núcleos atómicos en la molécula.
Si bien esta respuesta se ha predicho teóricamente y se ha detectado indirectamente, esta es la primera vez que se toma una imagen directa con rayos X en un proceso conocido como creación de películas moleculares, cuyo objetivo final es observar cómo los electrones y los núcleos actúan en realidadmomento en que se forman o se rompen los enlaces químicos
Investigadores de la Universidad de Brown, la Universidad de Edimburgo y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía informaron sus hallazgos en Comunicaciones de la naturaleza hoy
"En películas moleculares pasadas, hemos podido ver cómo se mueven los núcleos atómicos durante una reacción química", dijo Peter Weber, profesor de química en Brown y autor principal del informe. "Pero el enlace químico en sí, que es unEl resultado de la redistribución de electrones era invisible. Ahora la puerta está abierta para observar cómo cambian los enlaces químicos durante las reacciones ".
Un modelo para reacciones biológicas importantes
Esta fue la última de una serie de películas moleculares protagonizadas por 1,3-ciclohexadieno, o CHD, una molécula en forma de anillo derivada del aceite de pino. En un gas a baja presión, sus moléculas flotan libremente y son fáciles de estudiar, ysirve como un modelo importante para reacciones biológicas más complejas como la que produce vitamina D cuando la luz del sol llega a la piel.
En estudios que se remontan a hace casi 20 años, los científicos han estudiado cómo se rompe el anillo de CHD cuando la luz lo golpea, primero con técnicas de difracción de electrones, y más recientemente con la "cámara de electrones", MeV-UED de SLAC y sin rayos X-láser de electrones, la fuente de luz coherente de Linac LCLS. Estos y otros estudios en todo el mundo han revelado cómo la reacción se desarrolla en detalles cada vez más finos.
Hace cuatro años, investigadores de Brown, SLAC y Edimburgo usaron LCLS para hacer una película molecular del anillo CHD volando aparte, la primera película molecular grabada con rayos X. Este logro fue catalogado como uno de los 75Los avances científicos más importantes que surgen de un laboratorio nacional del DOE, junto con descubrimientos como la decodificación de ADN y la detección de neutrinos.
Pero ninguno de esos experimentos anteriores pudo observar el paso inicial de barajar electrones, porque no había forma de separarlo de los movimientos mucho más grandes de los núcleos atómicos de la molécula.
Electrones en el centro de atención
Para este estudio, un equipo experimental dirigido por Weber adoptó un enfoque ligeramente diferente: golpearon muestras de gas CHD con una longitud de onda de luz láser que excitó a las moléculas a un estado que vive durante un período de tiempo relativamente largo: 200 femtosegundos, o millonésimas de una billonésima de segundo, por lo que su estructura electrónica podría ser probada con pulsos de láser de rayos X LCLS.
"La dispersión de rayos X se ha utilizado para determinar la estructura de la materia durante más de 100 años", dijo Adam Kirrander, profesor titular de Edimburgo y coautor principal del estudio, "pero esta es la primera vez que la electrónicase ha observado directamente la estructura de un estado excitado "
La técnica utilizada, llamada dispersión de rayos X no resonantes, mide la disposición de los electrones en una muestra, y el equipo esperaba capturar los cambios en la distribución de electrones a medida que la molécula absorbía la luz. Su medición confirmó esa expectativa:Si bien la señal de los electrones era débil, los investigadores pudieron capturar sin ambigüedades cómo la nube de electrones se deformaba en una nube más grande y difusa correspondiente a un estado electrónico excitado.
Era crítico observar estos cambios electrónicos antes de que los núcleos comenzaran a moverse.
"En una reacción química, los núcleos atómicos se mueven y es difícil desenredar esa señal de las otras partes que pertenecen a la formación o ruptura de enlaces químicos", dijo Haiwang Yong, estudiante de doctorado en la Universidad de Brown y autor principal del informe."En este estudio, el cambio en las posiciones de los núcleos atómicos es relativamente pequeño en esa escala de tiempo, por lo que pudimos ver los movimientos de los electrones justo después de que la molécula absorbe la luz".
Michael Minitti, científico principal del SLAC, agregó: "Estamos imaginando estos electrones a medida que se mueven y se mueven. Esto allana el camino para observar los movimientos de los electrones en y alrededor de la ruptura y formación de enlaces directamente y en tiempo real; en ese sentido, essimilar a la fotografía "
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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