En los brillantes días de verano la luz del sol a nuestro alrededor se está rompiendo al romper los lazos. Enlaces químicos.

La luz ultravioleta rompe los enlaces entre los átomos en el ADN de las células de nuestra piel, potencialmente causando cáncer. La luz ultravioleta también rompe los enlaces de oxígeno, eventualmente creando ozono, y escinde el hidrógeno de otras moléculas para dejar radicales libres que pueden dañar los tejidos.

Universidad de California, Berkeley, Los químicos que utilizan algunos de los pulsos de láser más cortos disponibles (una quintillonésima de segundo) ahora han podido resolver el proceso paso a paso que conduce a la explosión de un enlace químico, esencialmente haciendo una película del evento. Pueden seguir a los electrones rebotando indecisamente en varios estados de la molécula antes de que se rompa el enlace, y los átomos van por caminos separados.

La técnica, informó la semana pasada en la revista Ciencias , ayudará a los químicos a comprender y potencialmente manipular las reacciones químicas estimuladas por la luz, las llamadas reacciones fotoquímicas. Químicos y biólogos, en particular, están interesados ​​en comprender cómo las moléculas grandes logran absorber la energía de la luz sin romper ningún enlace, como sucede cuando las moléculas en el ojo absorben la luz, dándonos visión, o las moléculas de las plantas absorben la luz para la fotosíntesis.

"Piense en una molécula, rodopsina, en el ojo, "dijo el primer autor Yuki Kobayashi, estudiante de doctorado de UC Berkeley. "Cuando la luz llega a la retina, la rodopsina absorbe la luz visible, y podemos ver cosas porque cambia la conformación del enlace de la rodopsina ".

De hecho, cuando se absorbe la energía luminosa, un vínculo en giros de rodopsina, en lugar de descansos, desencadenando otras reacciones que dan como resultado la percepción de la luz. La técnica Kobayashi y sus colegas de UC Berkeley, los profesores Stephen Leone y Daniel Neumark, desarrollada podría usarse para estudiar en detalle cómo esta absorción de luz conduce a la torsión después de que la molécula pasa por un estado excitado llamado cruce evitado o intersección cónica.

Para evitar la ruptura de un vínculo en el ADN, "desea redirigir la energía de la disociación a simplemente ser vibratoriamente caliente. Para la rodopsina, desea redirigir la energía de la vibración a una isomerización cis-trans, un giro, "Dijo Kobayashi." Estas redirecciones de reacciones químicas están ocurriendo de manera ubicua a nuestro alrededor, pero no hemos visto el momento real de ellos antes ".

Pulsos de láser rápidos

Los láseres de attosegundos (un attosegundo es una mil millonésima parte de una mil millonésima de segundo) han existido durante aproximadamente una década y los científicos los utilizan para sondear reacciones muy rápidas. Dado que la mayoría de las reacciones químicas ocurren rápidamente, Estos láseres de pulso rápido son clave para "ver" cómo se comportan los electrones que forman el enlace químico cuando el enlace se rompe y / o reforma.

Leona profesor de química y física, es un experimentalista que también utiliza herramientas teóricas y es pionero en el uso de láseres de attosegundos para sondear reacciones químicas. Tiene seis de estos rayos X y ultravioleta extrema (colectivamente, Láseres XUV) en su laboratorio de UC Berkeley.

Trabajando con una de las moléculas más simples, monobromuro de yodo (IBr), que es un átomo de yodo unido a un átomo de bromo, el equipo de UC Berkeley golpeó las moléculas con un pulso de luz visible de 8 femtosegundos para excitar uno de sus electrones más externos. luego los probó con pulsos de láser de attosegundos.

Pulsando el láser XUV de attosegundos a intervalos cronometrados de 1,5 femtosegundos (un femtosegundo es 1, 000 attosegundos), muy parecido a usar una luz estroboscópica, los investigadores pudieron detectar los pasos que conducen a la ruptura de las moléculas. El láser XUV de alta energía pudo explorar los estados de energía excitados en relación con los electrones internos de la molécula, que normalmente no participan en reacciones químicas.

"Estás haciendo una película de las vías del electrón cuando se acerca al cruce y la probabilidad de que vaya por una u otra vía, ", Dijo Leone." Estas herramientas que estamos desarrollando le permiten observar sólidos, gases y líquidos, pero necesita escalas de tiempo más cortas (proporcionadas por un láser de attosegundos). De lo contrario, solo ves el principio y el final, y no sabes qué más pasó en el medio ".

El experimento mostró claramente que los electrones externos de IBr, una vez emocionado, De repente, ve una variedad de estados o lugares en los que podrían estar y explore muchos de ellos antes de decidir qué camino tomar. En esta simple molécula, sin embargo, todos los caminos conducen a que el electrón se asiente en yodo o bromo y los dos átomos se separen.

En moléculas más grandes, que el equipo espera explorar pronto, electrones excitados tendrían más opciones, algunos donde la energía entra en un giro, como con la rodopsina, o en vibración molecular sin que las moléculas se rompan.

"En biología, resulta que la evolución ha seleccionado cosas que son extremadamente efectivas para absorber la energía y no romper un vínculo, ", Dijo Leone." Cuando algo sale mal en tu química es cuando ves que surgen enfermedades ".