En un hito para el estudio de una clase de reacciones químicas relevantes para las nuevas células solares y dispositivos de almacenamiento de memoria, un equipo internacional de investigadores que trabaja en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía utilizó un láser de rayos X para observar la "respiración molecular", ondas de movimientos sutiles de entrada y salida de átomos, en tiempo real y con un detalle sin precedentes.

Estas ondas de movimiento visto con la fuente de luz coherente Linac de SLAC (LCLS), permitió al equipo estudiar cómo se intercambia la energía entre la luz y los electrones y conduce a la tensión y eventualmente al movimiento de los átomos en una molécula a base de hierro que es un modelo para transformar la luz en energía eléctrica y pequeños imanes moleculares conmutables.

En un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , el equipo de investigación dijo que estos de alta fidelidad, Las mediciones en tiempo real de la redistribución de energía ultrarrápida pueden proporcionar información clave para comprender la función de muchas sustancias químicas, Fenómenos físicos y biológicos inducidos por la luz.

"Es un salto significativo en la sensibilidad de los experimentos que ahora nos permite ver más de lo que está sucediendo, "dice Diling Zhu, científico de planta en SLAC. "Estamos ampliando los detalles de las moléculas a medida que logramos una resolución cada vez mejor tanto en el espacio como en el tiempo".

La molécula que estudiaron consiste en un átomo de hierro central unido a tres estructuras de doble anillo conocidas como bipiridinas.

Para verlo "respirar, "Los científicos primero golpearon la molécula con luz láser e inmediatamente siguieron con un pulso de láser de rayos X para examinar cualquier cambio que tuviera lugar.

La luz láser excitó un electrón en el átomo de hierro central, que se transfirió a una de las estructuras de bipiridina adjuntas. Cuando el electrón regresó al átomo de hierro 100 femtosegundos, o cuadrillonésimas de segundo, más tarde, volteó el magnetismo del hierro. Esto hizo que la molécula se expandiera, desencadenando una oscilación similar a una respiración a través de toda la estructura.

Las mediciones anteriores en experimentos con láseres ópticos habían revelado indirectamente estos movimientos, y se sospechaba que la flexión de las uniones de bipiridina contribuía al movimiento molecular.

Pero este experimento que utilizó señales más directas de rayos X mostró que esta explicación era incorrecta. Con cada pulso de rayos X que dura solo 50 femtosegundos, el equipo pudo observar la excitación electrónica por luz y el siguiente proceso de respiración a intervalos mucho más cortos que nunca y obtener una imagen más completa en tiempo real.

Los investigadores esperan que los conocimientos adquiridos a partir de la respiración molecular les ayuden a mejorar tecnologías como las células solares sensibilizadas con colorantes y el almacenamiento de memoria.

Las células solares sensibilizadas son una alternativa futura prometedora para dispositivos baratos pero eficientes, pero sus tintes que absorben la luz a menudo contienen metales raros caros como el rutenio. En su lugar, a los científicos les gustaría utilizar compuestos a base de hierro más baratos, pero la conmutación magnética que induce la respiración molecular detiene el flujo de corriente eléctrica a través de una célula solar.

"Vemos dos procesos en competencia en la molécula y su relación con la estructura molecular. Con esta información, podemos encontrar formas de cambiar la estructura molecular para favorecer el proceso utilizable para posibles aplicaciones técnicas, "dice Henrik Lemke, anteriormente fue científico de planta en SLAC y ahora en el Instituto Paul Scherrer de SwissFEL en Suiza. Lemke es el autor principal del estudio, que también incluyó a investigadores de Suecia, Dinamarca, Italia, y Francia, así como de SLAC.

"Para otras aplicaciones, el cambio es realmente deseable, para que podamos crear un sistema de memoria molecular, "Lemke agrega." En los dispositivos de almacenamiento de memoria, un proceso reversible podría permitirnos escribir y almacenar datos con el material ".

El experimento marca un importante paso adelante en la capacidad de visualizar la dinámica molecular en el instrumento de sonda de bomba de rayos X de LCLS, que se encargó por primera vez en 2010. Para generar imágenes más nítidas del movimiento molecular, Los científicos de LCLS han desarrollado nuevos métodos para enviar muestras a la trayectoria del rayo láser de rayos X, así como técnicas especiales de análisis de datos para dar cuenta de diversas fluctuaciones que pueden hacer que el experimento se vuelva borroso.

Las mejoras también significan que los investigadores ahora pueden recopilar datos de mayor calidad en menos tiempo. Los científicos de LCLS ahora pueden adquirir información que antes les había llevado semanas recopilar en tan solo unos minutos.