Se registra por primera vez la solvatación átomo a átomo

a , El punto de partida de las mediciones:una nanogota de He dopada con un átomo de Xe en el interior y un átomo de Na en la superficie. b , La gota de He inmediatamente después del pulso de bomba de femtosegundo, que llega en el momento t = 0, ha creado un Na⁺ ion por ionización del átomo de Na, y de ese modo inició el proceso de solvatación del ion. c , Los átomos de He son atraídos por el Na⁺ ion, y se unen gradualmente. d , El pulso de la sonda ioniza el átomo de Xe en el momento t . e , La fuerza electrostática repulsiva entre Xe⁺ y Na⁺ conduce a la expulsión de este último de la gota junto con el número de átomos de He que se han unido al Na⁺ . Aquí N = 7 se utiliza como ejemplo. e , Hay dos resultados alternativos del sistema:el Na⁺ Él₇ complejo tiene energía interna lo suficientemente baja como para permanecer unido (izquierda) o el Na⁺ Él₇ El complejo tiene tanta energía interna que desprende un átomo de He después de salir de la gota (derecha). El Na⁺ resultante Él₇ o Na⁺ Él₆ El complejo se dirige a un detector y proporciona información sobre el grado de solvatación en el tiempo t. . Crédito:Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06593-5

Un equipo de químicos y físicos de la Universidad de Aarhus, en Dinamarca, en colaboración con un colega de la Universidad de Barcelona, en España, ha registrado por primera vez la solvatación átomo por átomo. En su estudio, publicado en la revista Nature , el grupo diseñó un proceso para manipular átomos de sodio y xenón con una gota de helio a temperaturas muy frías para capturar lo que describen como instantáneas del proceso de solvatación a lo largo del tiempo. Combinados, estos producen una película que describe la acción. En el mismo número de la revista se publicó un informe de investigación sobre el trabajo.

La solvatación es la disolución de un soluto en un disolvente; por ejemplo, cuando la sal se disuelve en agua. La acción no se detiene sólo porque el soluto se haya disuelto; en cambio, los solventes continúan interactuando con el material que se ha disuelto.

Investigaciones anteriores han demostrado que este tipo de interacciones pueden ser bastante complicadas, razón por la cual los químicos quieren saber más sobre lo que sucede. Una forma de averiguarlo sería filmar la acción y reproducirla como una película. Sin embargo, este concepto simple ha demostrado ser excepcionalmente difícil, tan difícil que el equipo en Dinamarca no lo logró hasta hace poco.

Para lograr su hazaña, los investigadores comenzaron atrapando un solo átomo de xenón dentro de una gota de helio líquido que había sido enfriada a -255°C y luego agregaron un solo átomo de sodio al borde exterior de la gota. Dispararon un pulso corto de un láser al átomo de sodio para convertirlo en un ion cargado positivamente, lo que provocó la solvatación:los átomos de helio comenzaron a adherirse al ion de sodio.

Simulación TDDFT del Na⁺ Proceso de solvatación de iones. Vídeo de la izquierda:evolución temporal de la densidad de He en un plano de simetría. El punto rojo representa el Na⁺ ion. Vídeo de la derecha:la línea negra continua muestra el perfil de densidad de gotas promediado esféricamente alrededor del ion (eje vertical izquierdo). La línea roja discontinua muestra el número de átomos de He en función de la distancia al ion (eje vertical derecho). Crédito:Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06593-5

Luego, el equipo disparó otro pulso láser, esta vez al átomo de xenón, convirtiéndolo en un ion cargado positivamente. Los dos iones se repelieron hasta tal punto que el ion sodio, con sus átomos de helio unidos, fue empujado fuera de la gota hacia un detector, lo que permitió capturar una instantánea de lo que estaba ocurriendo.

Luego, los investigadores repitieron el proceso, esperando cada vez más tiempo para disparar el segundo pulso. Pudieron crear lo que describen como instantáneas progresivas de la acción. Luego, una vez que tuvieron varias instantáneas secuenciales, las unieron para crear una película que mostraba el proceso de resolución en acción.

Más información: Simon H. Albrechtsen et al, Observación de los pasos principales de la solvatación de iones en gotas de helio, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06593-5

Las gotas de helio ayudan a visualizar el inicio de la solvatación de iones, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/d41586-023-02950-6

Información de la revista: Naturaleza