Los iones están en todas partes, desde nuestro entorno cotidiano hasta la extensión cósmica. A medida que la sal de mesa común (NaCl) se disuelve en sodio (Na + ) y cloruro (Cl - ) iones en agua, imparte un sabor salado. Una vez absorbidos por el cuerpo, estos iones regulan los impulsos nerviosos y los movimientos musculares.
En el sol, el plasma (una acumulación de iones en estado gaseoso) sufre reacciones de fusión nuclear, transmitiendo luz y energía a la Tierra. Uno de los usos más notables de los iones en la vida cotidiana se encuentra en las baterías de iones de litio, que alimentan dispositivos como teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y automóviles eléctricos.
En consecuencia, los iones desempeñan papeles fundamentales en diversas facetas de nuestras vidas y comprender los intrincados procesos, atributos estructurales y dinámica de los iones sigue siendo crucial para los avances en ciencia y tecnología. Sin embargo, capturar los momentos efímeros de la formación de iones y sus transiciones estructurales moleculares, especialmente en la fase gaseosa, ha demostrado ser un desafío debido a las complejidades experimentales.
Dirigidos por el director Ihee Hyotcherl, investigadores del Centro de Dinámica de Reacción Avanzada (CARD) del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) han logrado la captura en tiempo real del proceso de ionización y los cambios estructurales posteriores en las moléculas en fase gaseosa a través de una mega- Técnica de difracción de electrones ultrarrápida de electronvoltios (MeV-UED), que permite observar movimientos de iones más rápidos y finos.
El equipo del director Ihee tenía una larga trayectoria en la consecución de hitos innovadores en la dinámica molecular, como la ruptura de enlaces moleculares, el inicio del nacimiento molecular a través de enlaces químicos y la exploración en profundidad de estructuras moleculares a nivel atómico en la totalidad de un planeta. reacción química. Ahora, por primera vez, han realizado con éxito observaciones en tiempo real de la formación y evolución estructural de iones en fase gaseosa.
Para lograr este objetivo, el equipo se centró en cationes de 1,3-dibromopropano (DBP). Los datos experimentales revelaron un fenómeno fascinante:el catión persistió en un estado estructuralmente estable denominado "estado oscuro" durante aproximadamente 3,6 picosegundos (1 picosegundo equivale a una billonésima de segundo) después de su formación.
Esta nueva investigación se publica en la revista Nature. .
Posteriormente, el catión sufrió una transformación en un intermedio inusual con una estructura de anillo que abarca cuatro átomos, incluido un átomo de bromo débilmente unido. Finalmente, el átomo de bromo débilmente unido se desacopló, dando lugar a un ion bromonio caracterizado por una estructura de anillo que comprende tres átomos.
Dada la alta reactividad de los iones, observar su existencia ha planteado un desafío importante desde hace mucho tiempo. El éxito de esta investigación dependió de la incorporación de una tecnología de procesamiento de señales recientemente diseñada y una técnica de análisis de modelos para cambios estructurales. Otro elemento importante fue la aplicación de la técnica de ionización multifotónica mejorada por resonancia (REMPI), que facilitó la producción en masa de iones específicos y al mismo tiempo evitó la disociación aleatoria de compuestos.
Los hallazgos experimentales indicaron que los iones de gas generados mantenían una forma específica antes de sufrir transformaciones repentinas, lo que permitió al equipo de IBS dilucidar en última instancia la formación de moléculas químicamente estables con forma de anillo.
Luego, aprovechando la innovadora técnica de difracción de electrones ultrarrápida de megaelectrones voltios (MeV-UED), el equipo de investigación logró una captura precisa de cambios estructurales sutiles en los iones dentro de la fase gaseosa. Esta tecnología de vanguardia ofreció la resolución espacial y temporal de alta resolución necesaria para las necesidades de esta investigación y permitió el seguimiento meticuloso de todo el proceso desde el momento de la generación de iones hasta las transformaciones estructurales posteriores.
Al ser el primero en lograr la observación en tiempo real de cambios estructurales en iones generados selectivamente, este estudio es aclamado como un avance sustancial en la investigación de la química de iones. Esta investigación representa un logro innovador en la comunidad científica y marca la instancia inaugural de observación en tiempo real de la dinámica estructural de iones moleculares.
Al avanzar en nuestra comprensión de los iones en la fase gaseosa, esta investigación brinda nuevas perspectivas en diversos campos, incluidos los mecanismos de reacciones químicas, las alteraciones en las propiedades de los materiales y el ámbito de la astroquímica. El impacto previsto se extiende mucho más allá de la química iónica, influyendo en diversas disciplinas científicas y tecnológicas.
El Dr. Heo Jun, autor principal, dijo:"Este descubrimiento representa un avance fundamental en nuestra comprensión fundamental de la química de los iones, y está preparado para influir profundamente en el diseño de diversas reacciones químicas y la exploración futura en astroquímica".
Kim Doyeong, el primer autor y estudiante, compartió sus aspiraciones y afirmó:"Contribuir a un estudio con el potencial de sentar las bases para avances en la ciencia básica es verdaderamente gratificante. Estoy comprometido con esfuerzos de investigación persistentes para convertirme en un científico competente. ."
El profesor Hyotcherl dijo:"A pesar de los notables avances en ciencia y tecnología, numerosos misterios cautivadores permanecen en el mundo material. Esta investigación, aunque revela sólo un enigma más de iones no descubiertos anteriormente, subraya los profundos secretos que aguardan nuestra exploración".
Más información: Hyotcherl Ihee, Capturando la generación y transformaciones estructurales de iones moleculares, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06909-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06909-5
Proporcionado por el Instituto de Ciencias Básicas
