Reglas de la mecánica cuántica. Dicta cómo interactúan las partículas y las fuerzas, y así cómo funcionan los átomos y las moléculas, por ejemplo, qué sucede cuando una molécula pasa de un estado de mayor energía a uno de menor energía. Pero más allá de las moléculas más simples, los detalles se vuelven muy complejos.

"La mecánica cuántica describe cómo funciona todo esto, ", dijo Paul Hockett del Consejo Nacional de Investigación de Canadá." Pero tan pronto como vayas más allá del problema de los dos cuerpos, no puedes resolver las ecuaciones ". los físicos deben confiar en simulaciones y experimentos por computadora.

Ahora, él y un equipo internacional de investigadores de Canadá, el Reino Unido y Alemania han desarrollado una nueva técnica experimental para tomar imágenes tridimensionales de moléculas en acción. Esta herramienta, él dijo, puede ayudar a los científicos a comprender mejor la mecánica cuántica subyacente a moléculas más grandes y complejas.

El nuevo método descrito en La Revista de Física Química , combina dos tecnologías. La primera es una cámara desarrollada en la Universidad de Oxford, llamada cámara de espectrometría de masas de imágenes de píxeles (PImMS). El segundo es una fuente de luz ultravioleta de vacío de femtosegundos construida en los femtolabs de NRC en Ottawa.

La espectrometría de masas es un método utilizado para identificar compuestos desconocidos y sondear la estructura de moléculas. En la mayoría de los tipos de espectrometría de masas, una molécula se fragmenta en átomos y moléculas más pequeñas que luego se separan por peso molecular. En espectrometría de masas de tiempo de vuelo, por ejemplo, un campo eléctrico acelera la molécula fragmentada. La velocidad de esos fragmentos depende de su masa y carga, para pesarlos, se mide el tiempo que tardan en llegar al detector.

La mayoría de los detectores de imágenes convencionales, sin embargo, no puede discernir exactamente cuándo golpea una partícula en particular. Para medir el tiempo, Los investigadores deben utilizar métodos que actúen eficazmente como contraventanas, que dejan pasar las partículas durante un corto período de tiempo. Saber cuándo está abierto el obturador proporciona información sobre la hora del vuelo. Pero este método solo puede medir partículas de la misma masa, correspondiente al poco tiempo que el obturador está abierto.

La cámara PImMS, por otra parte, Puede medir partículas de múltiples masas a la vez. Cada píxel del detector de la cámara puede medir el momento en que una partícula lo golpea. Esa información de tiempo produce un mapa tridimensional de las velocidades de las partículas, proporcionando una imagen tridimensional detallada del patrón de fragmentación de la molécula.

Para sondear moléculas, los investigadores utilizaron esta cámara con un láser ultravioleta de vacío de femtosegundos. Un pulso de láser excita la molécula a un estado de mayor energía, y justo cuando la molécula comienza su evolución mecánica cuántica, después de unas pocas docenas de femtosegundos, se dispara otro pulso. La molécula absorbe un solo fotón, un proceso que hace que se desmorone. La cámara PImMS luego toma una imagen tridimensional de los desechos moleculares.

Al disparar un pulso láser en momentos posteriores y posteriores a moléculas excitadas, los investigadores pueden usar la cámara PImMS para tomar instantáneas de moléculas en varias etapas mientras caen en estados de menor energía. El resultado es una serie de imágenes tridimensionales paso a paso de una molécula que cambia de estado.

Los investigadores probaron su enfoque en una molécula llamada C2F3I. Aunque es una molécula relativamente pequeña, se fragmentó en cinco productos diferentes en sus experimentos. El software de datos y análisis está disponible en línea como parte de una iniciativa de ciencia abierta, y aunque los resultados son preliminares, Hockett dijo:los experimentos demuestran el poder de esta técnica.

"Es efectivamente una tecnología que permite realizar este tipo de experimentos en absoluto, ", Dijo Hockett. Solo se necesitan unas pocas horas para recopilar el tipo de datos que tomaría unos días con métodos convencionales, permitiendo experimentos con moléculas más grandes que antes eran imposibles.

Entonces los investigadores pueden responder mejor a preguntas como:¿Cómo funciona la mecánica cuántica en grandes, sistemas más complejos? ¿Cómo se comportan las moléculas excitadas y cómo evolucionan?

"La gente ha intentado comprender estas cosas desde la década de 1920, ", Dijo Hockett." Todavía es un campo de investigación muy abierto, investigar, y debate porque las moléculas son realmente complicadas. Tenemos que seguir intentando entenderlos ".