Los investigadores han utilizado pulsos de rayos X de ultra alta velocidad para hacer una "película" de alta resolución de una molécula sometida a movimientos estructurales. La investigación, publicado en Química de la naturaleza , revela la dinámica de los procesos con un detalle sin precedentes, capturando la excitación de un solo electrón en la molécula.

La capacidad de ver los movimientos moleculares en tiempo real ofrece información sobre los procesos de dinámica química que eran impensables hace solo unas décadas. los investigadores dicen, y, en última instancia, puede ayudar a optimizar las reacciones y diseñar nuevos tipos de química.

"Durante muchos años, Los químicos han aprendido sobre las reacciones químicas al estudiar esencialmente las moléculas presentes antes y después de que se produzca una reacción. "dijo Brian Stankus, un doctorado reciente. Graduado de la Universidad de Brown y coautor principal del artículo. "Era imposible observar realmente la química porque la mayoría de las transformaciones moleculares ocurren muy rápidamente. Pero las fuentes de luz ultrarrápidas como la que usamos en este experimento nos han permitido medir los movimientos moleculares en tiempo real". y esta es la primera vez que este tipo de efectos sutiles se han visto con tanta claridad en una molécula orgánica de este tamaño ".

El trabajo es una colaboración entre químicos de Brown, científicos del SLAC National Accelerator Laboratory y químicos teóricos de la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido. El equipo fue dirigido por Peter Weber, profesor de química en Brown.

Para el estudio, los investigadores observaron los movimientos moleculares que ocurren cuando la molécula orgánica N-metil morfolina es excitada por pulsos de luz ultravioleta. Se utilizaron pulsos de rayos X de la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC para tomar instantáneas en diferentes etapas de la respuesta dinámica de la molécula.

"Básicamente, golpeamos las moléculas con luz ultravioleta, que inicia la respuesta, y luego, fracciones de segundo más tarde, tomamos una "imagen" (en realidad, capturamos un patrón de dispersión) con un pulso de rayos X, "Stankus dijo." Repetimos esto una y otra vez, con diferentes intervalos entre el pulso UV y el pulso de rayos X para crear una serie de tiempo ".

Los rayos X se dispersan en patrones particulares dependiendo de la estructura de las moléculas. Esos patrones se analizan y utilizan para reconstruir una forma de la molécula a medida que se desarrollan los movimientos moleculares. Ese análisis de patrones fue dirigido por Haiwang Yong, estudiante de posgrado en Brown y coautor principal del estudio.

El experimento reveló una reacción extremadamente sutil en la que solo un electrón se excita, causando un patrón distinto de vibraciones moleculares. Los investigadores pudieron obtener imágenes tanto de la excitación electrónica como de la vibración atómica con gran detalle.

"Este documento es un verdadero hito porque, por primera vez, pudimos medir con gran claridad la estructura de una molécula en estado excitado y con resolución temporal, "dijo Weber, autor correspondiente del estudio.

"Hacer este tipo de mediciones casi sin ruido, tanto en energía como en tiempo, no es poca cosa, "dijo Mike Minitti, científico senior del SLAC y coautor del estudio. "Durante los últimos siete años, Nuestra colaboración ha aprendido mucho sobre la mejor manera de utilizar los distintos diagnósticos LCLS para medir con precisión las pequeñas fluctuaciones en las intensidades de los rayos X, y en mayor medida, rastrear los cambios en la escala de tiempo de femtosegundos en los que evolucionan las moléculas. Todo esto ha informado el desarrollo de rutinas de análisis de datos personalizadas que prácticamente eliminan los molestos, señales no deseadas a nuestros datos. Estos resultados demuestran la fidelidad que podemos lograr ".

Un aspecto particularmente interesante de la reacción, los investigadores dicen, es que es coherente, es decir, cuando grupos de estas moléculas interactúan con la luz, sus átomos vibran en concierto unos con otros.

"Si podemos utilizar experimentos como este para estudiar cómo se puede utilizar exactamente la luz para dirigir el movimiento colectivo de miles de millones de moléculas, podemos diseñar sistemas que se puedan controlar de forma coherente, Stankus dijo. En pocas palabras:si entendemos exactamente cómo la luz dirige los movimientos moleculares, podemos diseñar nuevos sistemas y controlarlos para hacer química útil ".