Los microscopios ópticos han revolucionado nuestra comprensión del microcosmos, pero su resolución está limitada a unos 100 nanómetros. Para ver cómo se unen las moléculas, rotura, o cambiar su estructura, necesitamos una resolución al menos 1000 veces mejor.

La difracción de electrones inducida por láser (LIED) es una técnica que permite identificar los átomos individuales dentro de una sola molécula, y ver dónde se mueve cada átomo cuando la molécula experimenta una reacción. Esta técnica demostró ser una herramienta asombrosa para las moléculas de imagen, como el agua, sulfuro de carbonilo o disulfuro de carbono. Sin embargo, El uso de un fuerte campo láser para generar la difracción de electrones presentó desafíos para recuperar la estructura exacta, ya que la resolución estructural dependía del conocimiento exacto del campo láser en sí.

En un estudio publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza , Los investigadores del ICFO Aurelien Sanchez, Kasra Amini, Tobias Steinle, Xinyao Liu, dirigido por el profesor ICREA en ICFO Jens Biegert, en colaboración con investigadores de la Universidad Estatal de Kansas, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, y Friedrich-Schiller-Universität Jena, han informado sobre un enfoque alternativo y novedoso que recupera información precisa y precisa sobre la estructura atómica sin conocimiento exacto sobre el campo láser. Aplicaron con éxito el método para obtener imágenes de sulfuro de carbonilo de moléculas en fase gaseosa (OCS), en particular sobre las longitudes de los enlaces entre los átomos constituyentes, mostrando una configuración significativamente doblada y estirada asimétricamente del OCS ionizado ⁺ estructura.

Determinación de los enlaces atómicos del sulfuro de carbonilo

En su experimento, los científicos tomaron una mezcla de gas de 1% de OCS en helio y la expandieron supersónicamente para crear un haz molecular del gas con una temperatura por debajo de 90K. Luego tomaron un láser de 3,2 μm y expusieron la molécula al fuerte campo láser. La interacción entre el láser y la molécula produjo un electrón acelerado, que fue liberado de la molécula, acelerado en el campo láser y regresado al ión objetivo por el campo eléctrico del láser; la recolisión del electrón con la estructura iónica generó una huella molecular de la estructura y, extrayendo esta información del patrón de interferencia de electrones y el análisis del ángulo de dispersión, los científicos fueron capaces de determinar la estructura adecuada de la molécula.

Novedad del enfoque

Denominado ZCP-LIED, La novedad de este enfoque reside en el hecho de que los científicos idearon una forma muy inteligente de recuperar la información atómica utilizando la información completa de dispersión de electrones en 2D. principalmente la energía y los espectros del ángulo de dispersión del electrón en el marco del laboratorio en lugar del marco del láser, que mejoró drásticamente las estadísticas de los resultados. Además de utilizar datos 2D en lugar de información 1D, también identificaron un rasgo distintivo en los espectros relacionado con lo que llamaron las posiciones del punto de cruce por cero (ZCP) (donde la señal de interferencia mostraba un valor nulo). Al realizar el análisis sobre estos puntos críticos, los científicos pudieron obtener de un conjunto de datos mucho más pequeño información más precisa sobre las longitudes de enlace de los átomos que componen la molécula, reduciendo considerablemente el tiempo de cálculo.

Para la validación de su enfoque, utilizaron varios métodos, los comparó con simulaciones teóricas de química cuántica y demostraron que su técnica ZCP-LIED podría obtener distancias entre núcleos con una precisión mucho mayor, podría medir distancias de enlace de longitud similar (algo bastante imposible de hacer con métodos anteriores), que evitaba convertir marcos de referencia, y pudo determinar la estructura molecular en entornos donde el ruido de fondo podría ser considerable. Teniendo todo esto en cuenta, informaron haber obtenido la información molecular de moléculas de 10 átomos, y en particular, para el sulfuro de carbonilo, donde vieron que la molécula OCS ⁺ tenía una estructura significativamente doblada y estirada asimétricamente, diferente a lo que estudios previos habían determinado para esta molécula.

Los resultados obtenidos por este estudio han demostrado que la técnica ZCP-LIED podría ser una herramienta muy poderosa para determinar la estructura molecular de moléculas grandes y más complejas. También podría extenderse a la difracción de electrones ultrarrápida (UED) e incluso a la difracción de rayos X ultrarrápida (UXD) para rastrear las moléculas de la estructura geométrica en una fase transitoria.