Ilustración del estiramiento y flexión ultrarrápidos de una molécula triatómica lineal y la obtención de imágenes directas posteriores con difracción de electrones inducida por láser. Crédito:ICFO / K. Amini y U. Jena
Poder observar cómo se doblan las moléculas, estirarse, romperse o transformarse durante reacciones químicas requiere instrumentos y técnicas de vanguardia que puedan observar y rastrear todos los átomos dentro de una molécula con alta resolución espacial y temporal subatómica.
Hace unos 20 años, A los científicos se les ocurrió la idea de utilizar los propios electrones de la molécula para tomar instantáneas de la estructura y ver la reacción molecular en tiempo real. Un gran avance para la obtención de imágenes de moléculas complejas se produjo en 2016 cuando los investigadores, dirigido por el profesor ICREA en ICFO Jens Biegert, logró la resolución espacial y temporal requerida para tomar instantáneas de la dinámica molecular sin perder ningún evento, informando sobre la formación de imágenes de la ruptura de enlaces moleculares en acetileno (C 2 H 2 ) en Ciencias .
Ahora, el grupo de investigación ha ido más allá de su descubrimiento anterior y ha logrado otro hito. En un estudio reciente publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ), Investigadores del ICFO Dra. Kasra Amini, Dr. Michele Sclafani, Dr. Tobias Steinle, Aurelien Sánchez, dirigido por el Prof. ICREA en ICFO Dr. Jens Biegert, han observado la flexión y el estiramiento estructural del compuesto molecular triatómico disulfuro de carbono, CS 2 .
Para observar este fenómeno, los investigadores utilizaron difracción de electrones inducida por láser, una técnica de microscopio electrónico a escala molecular que captura instantáneas limpias de la geometría de la molécula con un picómetro subatómico combinado (pm; 1 pm =10- 12 m) y resolución espacio-temporal de attosegundos. Informaron que las modificaciones ultrarrápidas en la estructura molecular son impulsadas por cambios en la estructura electrónica de la molécula, gobernado por el efecto Renner-Teller. Este efecto es clave para moléculas triatómicas importantes como el disulfuro de carbono, CS 2 , ya que puede determinar reacciones químicas específicas en la atmósfera de la Tierra que podrían, por ejemplo, afectar las condiciones climáticas.
Ahora, por primera vez, el equipo ha imaginado directamente este efecto en su experimento, obtención de instantáneas en tiempo real, ver la molécula estirarse simétricamente y doblarse en una transición estructural lineal a doblada dentro de ~ 85 fs (ocho ciclos de láser). Esto fue posible gracias al uso de un microscopio cuántico de última generación compuesto por:(i) un infrarrojo medio de 3,1 µm de intensidad, sistema láser de femtosegundos que ilumina una sola CS 2 molécula con 160, 000 pulsos de láser por segundo, y (ii) un espectrómetro de microscopio de reacción que puede detectar simultáneamente la distribución de momento tridimensional completa de las partículas de electrones e iones generadas a partir de la formación de imágenes de recolisión de ionización y subciclo de una única molécula aislada.
Para confirmar sus hallazgos experimentales, el equipo también realizó simulaciones teóricas dinámicas cuánticas de última generación, y verificó la correspondencia entre los resultados teóricos y observacionales, confirmando que la transición ultrarrápida de lineal a plegado es, Por supuesto, habilitado por el efecto Renner-Teller. Los hallazgos significan un gran paso adelante en la comprensión de los efectos subyacentes que tienen lugar en los sistemas de dinámica molecular.
