Un patrón de difracción creado por rayos X que se dispersan de una molécula de yodo en un detector en el Laboratorio Nacional del Acelerador de SLAC. Cientos de estos patrones del láser de electrones libres de rayos X del laboratorio se unieron para crear una "película molecular" que muestra cómo las moléculas respondieron de formas inesperadas cuando fueron golpeadas con dos fotones de luz a la vez. Los científicos dicen que este nuevo enfoque debería funcionar con moléculas más grandes y complejas, también. Crédito:Grupo Bucksbaum / Instituto PULSE
En los ultimos años, Los científicos han desarrollado herramientas asombrosas ("cámaras" que utilizan rayos X o electrones en lugar de luz ordinaria) para tomar instantáneas rápidas de moléculas en movimiento y encadenarlas en películas moleculares.
Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han agregado otro giro:al ajustar sus láseres para golpear moléculas de yodo con dos fotones de luz a la vez en lugar del fotón único habitual, desencadenaron fenómenos totalmente inesperados que fueron capturados en películas a cámara lenta de apenas una billonésima de segundo de duración.
La primera película que hicieron con este enfoque, descrito el 17 de marzo en Revisión física X , muestra cómo los dos átomos de una molécula de yodo se mueven hacia adelante y hacia atrás, como si estuviera conectado por un resorte, ya veces se deshacen cuando son golpeados por una intensa luz láser. La acción fue capturada por el láser de electrones libres de rayos X duros Linac Coherent Light Source (LCLS) del laboratorio. Algunas de las respuestas de las moléculas fueron sorprendentes y otras se habían visto antes con otras técnicas, los investigadores dijeron, pero nunca con tanto detalle ni tan directamente, sin depender de un conocimiento previo de cómo deberían verse.
Los análisis preliminares de moléculas más grandes que contienen una variedad de átomos sugieren que también se pueden filmar de esta manera. los investigadores agregaron, produciendo nuevos conocimientos sobre el comportamiento molecular y llenando un vacío donde los métodos anteriores se quedan cortos.
"La imagen que obtuvimos de esta manera fue muy rica, "dijo Philip Bucksbaum, profesor en SLAC y Stanford e investigador del Stanford PULSE Institute, quien dirigió el estudio con el científico postdoctoral de PULSE Matthew Ware. "Las moléculas nos dieron suficiente información para que pudiéramos ver cómo los átomos se movían a distancias inferiores a un angstrom, que es aproximadamente el ancho de dos átomos de hidrógeno, en menos de una billonésima de segundo. Necesitamos una velocidad de obturación muy rápida y alta resolución para ver este nivel de detalle, y ahora mismo eso solo es posible con un láser de rayos X de electrones libres como el LCLS ".
Fotones de doble cañón
Las moléculas de yodo son un tema favorito para este tipo de investigación porque son simples:solo dos átomos conectados por un enlace químico elástico. Estudios previos, por ejemplo, con la "cámara de electrones de SLAC, "han sondeado su respuesta a la luz. Pero hasta ahora esos experimentos se han establecido para iniciar el movimiento en moléculas utilizando fotones individuales, o partículas de luz.
En este estudio, Los investigadores ajustaron la intensidad y el color de un láser infrarrojo ultrarrápido para que aproximadamente una décima parte de las moléculas de yodo interactuaran con dos fotones de luz, lo suficiente para hacerlos vibrar. pero no lo suficiente como para quitarles los electrones.
Esta imagen contiene cientos de imágenes, o marcos, de una "película molecular" hecha con un láser de rayos X de electrones libres en el Laboratorio Nacional del Acelerador de SLAC. Revela cómo las moléculas de yodo simples responden de maneras a veces inesperadas cuando son golpeadas con dos fotones de luz a la vez. un enfoque novedoso que, según los científicos, debería funcionar para moléculas más grandes y complejas, también. Cada imagen representa un patrón de difracción único creado por rayos X que dispersan átomos en una sola molécula, y aparece como una delgada línea horizontal, solo un píxel de profundidad. Al mirar una banda de un solo color de abajo hacia arriba, variaciones sutiles en las líneas revelan cómo las posiciones de los átomos de las moléculas se desplazan hacia adelante y hacia atrás muchas veces por picosegundo, o una billonésima de segundo. Crédito:(Grupo Bucksbaum / Instituto PULSE
Cada golpe fue seguido inmediatamente por un pulso de láser de rayos X de LCLS, que se dispersó fuera de los núcleos atómicos del yodo y en un detector para registrar cómo reaccionó la molécula. Al variar el tiempo entre los pulsos de luz y rayos X, Los científicos crearon una serie de instantáneas que se combinaron en una película de acción detenida de la respuesta de la molécula, con marcos de solo 50 femtosegundos, o millonésimas de mil millonésimas de segundo, aparte.
Los investigadores sabían al entrar que golpear las moléculas de yodo con más de un fotón a la vez provocaría lo que se conoce como una respuesta no lineal. que puede desviarse en direcciones sorprendentes. "Queríamos ver algo más desafiante, cosas que pudimos ver que podrían no ser lo que planeamos, "como dijo Bucksbaum. Y eso es lo que encontraron.
Vibraciones inesperadas
Los resultados revelaron que la energía de la luz provocó vibraciones, como se esperaba, con las dos moléculas de yodo acercándose rápidamente y alejándose una de la otra. "Es un efecto realmente grande, y por supuesto que lo vimos, "Dijo Bucksbaum.
Pero otro un tipo de vibración mucho más débil también apareció en los datos, "un proceso que es lo suficientemente débil como para no esperar verlo, ", dijo." Eso confirma el potencial de descubrimiento de esta técnica ".
También pudieron ver qué tan separados estaban los átomos y en qué dirección se dirigían al comienzo de cada vibración, ya sea comprimiendo o extendiendo el vínculo entre ellos, así como cuánto tiempo duró cada tipo de vibración.
En solo un pequeño porcentaje de las moléculas, los pulsos de luz enviaron a los átomos de yodo volando separándose en lugar de vibrar, disparar en direcciones opuestas a velocidades rápidas o lentas. Al igual que con las vibraciones, se esperaban los despegues rápidos, pero los lentos no.
Bucksbaum dijo que espera que los químicos y los científicos de materiales puedan hacer un buen uso de estas técnicas. Mientras tanto, su equipo y otros en el laboratorio continuarán enfocándose en desarrollar herramientas para ver más y más cosas que suceden en las moléculas y comprender cómo se mueven. "Ese es el objetivo aquí, ", dijo." Somos los directores de fotografía, no los escritores, productores o actores. El valor de lo que hacemos es permitir que sucedan todas esas otras cosas, trabajando en asociación con otros científicos ".
