Figura 1:(a) Pastillas de aspirina. (b) Estructura cristalina de la aspirina que representa un Disposición espacialmente periódica de moléculas. (c) La animación ilustra la redistribución de la densidad electrónica durante la rotación del grupo metilo con un período de aproximadamente 1 ps. Una sola molécula de aspirina se muestra en un modelo de bola y palo, la densidad de electrones como una isosuperficie. La isosuperficie contiene todas las posiciones espaciales en las que la densidad electrónica tiene un valor particular (fijo) de 1800 cargas elementales por nanómetro (1800 e- / nm3). Los cambios de densidad de electrones dan como resultado cambios en la forma de la isosuperficie. Una contracción alrededor de un átomo en particular ilustra una pérdida de carga electrónica, mientras que una expansión refleja un aumento de la densidad de carga. En la molécula de aspirina, Los movimientos de carga periódicos continuos ocurren durante la rotación del metilo, en particular entre los átomos del anillo de carbono 6 (izquierda) y la unidad carboxi COOH (derecha). Crédito:MBI
La aspirina no solo es un fármaco importante, pero también un interesante sistema de modelo de física en el que las vibraciones moleculares y los electrones se acoplan de una manera particular. Por primera vez, Los experimentos de rayos X en el dominio del tiempo ultracorto hacen que los movimientos de los electrones sean visibles en tiempo real. Demuestran que los desplazamientos atómicos muy pequeños desplazan los electrones a distancias mucho mayores dentro de las moléculas de aspirina.
Las píldoras de aspirina (Figura 1a) constan de muchos pequeños cristalitos en los que las moléculas de ácido acetilsalicílico forman una disposición espacial regular (Figura 1b). Las moléculas se acoplan entre sí mediante interacciones relativamente débiles y generan campos eléctricos que ejercen una fuerza sobre los electrones de cada molécula. Tras la excitación de vibraciones moleculares, la distribución de electrones en el espacio y, por lo tanto, las propiedades químicas deberían cambiar. Si bien este escenario ha sido objeto de trabajo teórico, Hasta ahora no ha habido demostración experimental ni comprensión de la dinámica molecular.
Científicos del Instituto Max Born de Berlín, Alemania, ahora han obtenido la primera observación directa del movimiento de los electrones durante una vibración acoplada de las moléculas de aspirina. En un número reciente de la revista Dinámica estructural , informan de los resultados de un experimento de rayos X en el dominio del tiempo ultracorto. Un pulso de bomba óptica ultracorto induce vibraciones de las moléculas de aspirina con un período de vibración de aproximadamente un picosegundo. Un pulso ultracorto de rayos X duros, que se retrasa en relación con el pulso de la bomba, se difracta del polvo excitado de cristalitos para mapear la disposición espacial momentánea de los electrones a través de un patrón de difracción de rayos X.
La animación de la Figura 1c muestra el movimiento de rotación del metilo (CH 3 ) grupo de una molécula de aspirina que surge tras la excitación vibratoria. En la animación, los desplazamientos atómicos se amplían artificialmente para hacerlos visibles. La rotación de metilo está relacionada con un desplazamiento espacial de electrones en toda la molécula de aspirina (nubes amarillas, la llamada isosuperficie de densidad electrónica constante). Los movimientos periódicos de los electrones ocurren en el tiempo con los movimientos vibratorios de los átomos y las distancias recorridas por los electrones son típicamente 10000 veces más grandes que los desplazamientos de los átomos en la rotación de metilo. Este comportamiento demuestra el carácter híbrido de la rotación de metilo, que se compone de movimientos atómicos y de electrones en escalas de longitud totalmente diferentes. El carácter híbrido se origina en la interacción eléctrica entre las moléculas de aspirina y la minimización dinámica de la energía electrostática en el cristalito.
Estos nuevos resultados enfatizan el papel central de los modos híbridos para la estabilización de la estructura cristalina, de acuerdo con los cálculos teóricos. En el caso de la aspirina, esta propiedad favorece la denominada forma 1 de la estructura cristalina en comparación con otras disposiciones moleculares. La fuerte modulación de la distribución de electrones por vibraciones es relevante para numerosas estructuras cristalinas en las que prevalecen las interacciones eléctricas. Las excitaciones vibratorias de los materiales ferroeléctricos deberían permitir una conmutación ultrarrápida de la polarización eléctrica macroscópica y, por lo tanto, conducen a nuevos dispositivos electrónicos para frecuencias extremadamente altas.
