Investigadores de la Universidad Tecnológica de Graz y la Universidad de Viena han descrito mejor el flujo de energía entre estados moleculares que interactúan fuertemente. Desde la década de 1990, La femtoquímica ha estado investigando procesos ultrarrápidos a nivel molecular. En los últimos años, El grupo de investigación Femtosecond Dynamics del Instituto de Física Experimental de TU Graz ha logrado varios éxitos en el área de la interacción luz-materia.

"Una comprensión precisa de los procesos desencadenados por la fotoexcitación en moléculas es, por ejemplo, un requisito previo para el desarrollo de tecnologías sostenibles que permitan un suministro energético basado en la energía solar, "dice Markus Koch, el jefe del grupo de trabajo.

Como ejemplo, él cita la fotocatálisis, que ayuda a convertir la luz solar en energía química con ventajas en términos de almacenamiento a largo plazo y densidad energética en comparación con la generación de energía eléctrica a través de la energía fotovoltaica.

Un método para tales investigaciones de dinámica molecular hace uso de las llamadas mediciones de bomba-sonda aplicando un pulso de láser ultracorto para excitar ("bombear") un sistema molecular a un estado deseado. Después de un tiempo de retardo ajustable, un segundo láser ("sonda") interroga a la población del estado excitado ionizando la molécula.

Se mide la energía de los fotoelectrones emitidos y variando el tiempo de retardo bomba-sonda, Se pueden sacar conclusiones sobre el flujo de energía en la molécula.

El principio de incertidumbre energía-tiempo de Heisenberg evita resultados exactos

Una descripción exacta de los procesos inducidos por la luz en su escala de tiempo real ha fallado hasta ahora para algunas moléculas poliatómicas que pueden tomar diferentes rutas de descomposición o fragmentación después de la excitación. dependiendo de la elección entre estados de energía poco espaciados.

Como resultado del principio de incertidumbre de energía-tiempo de Heisenberg, los pulsos de láser de sólo femtosegundos (10-15 segundos) de duración no pueden excitar selectivamente estados moleculares cercanos. Sin embargo, los pulsos cortos son un requisito previo para la observación de procesos extremadamente rápidos.

El nuevo enfoque combina teoría y experimentación.

En colaboración con investigadores del Instituto de Química Teórica de la Facultad de Química de la Universidad de Viena bajo la dirección de la Prof. Leticia González, los físicos experimentales de Graz ya han superado este obstáculo.

Combinando experimentos con pulsos láser ultracortos y simulaciones teóricas de procesos inducidos por la luz, el flujo de energía en la acetona, una molécula que ya ha sido bien estudiada, ahora podría observarse por primera vez en una ventana de energía clave entre tres estados estrechamente relacionados.

Incluso para el grupo de Viena, una fuerza impulsora en el campo de la descripción teórica de moléculas después de la excitación de la luz, el sistema que se investiga presentaba un desafío. "Para estas simulaciones, eran necesarios nuevos desarrollos en nuestro paquete de software local SHARC, sin el cual la descripción correcta de la dinámica de la acetona no habría sido posible, "enfatiza González.

Los efectos de sinergia producen nuevos conocimientos

Ambos métodos en sí mismos son ampliamente utilizados, pero "mientras que la relación energía-tiempo-desenfoque en la espectroscopia de femtosegundos evita resultados precisos, Las simulaciones en tiempo real proporcionan conocimientos más profundos sobre la dinámica molecular, que a su vez requieren la verificación de los resultados experimentales, "explica Koch.

La combinación de estas dos técnicas proporciona ahora a los investigadores una visión más profunda de la dinámica de la acetona y es un hito más en el estudio de las interacciones luz-materia. Los resultados fueron publicados en The Revista de letras de química física .