El primer paso en muchas reacciones químicas impulsadas por la luz, como los que potencian la fotosíntesis y la visión humana, es un cambio en la disposición de los electrones de una molécula a medida que absorben la energía de la luz. Este reordenamiento sutil allana el camino para todo lo que sigue y determina cómo procede la reacción.

Ahora los científicos han visto este primer paso directamente por primera vez, observar cómo la nube de electrones de la molécula se expande antes de que responda cualquiera de los núcleos atómicos de la molécula.

Si bien esta respuesta se ha predicho teóricamente y se ha detectado indirectamente, esta es la primera vez que se obtienen imágenes directamente con rayos X en un proceso conocido como creación de películas moleculares, cuyo objetivo final es observar cómo actúan tanto los electrones como los núcleos en tiempo real cuando se forman o rompen enlaces químicos.

Investigadores de la Universidad de Brown, La Universidad de Edimburgo y el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía informaron sus hallazgos en Comunicaciones de la naturaleza hoy dia.

"En películas moleculares pasadas, hemos podido ver cómo se mueven los núcleos atómicos durante una reacción química, "dijo Peter Weber, profesor de química en Brown y autor principal del informe. "Pero el enlace químico en sí, que es el resultado de la redistribución de electrones, era invisible. Ahora la puerta está abierta para observar cómo cambian los enlaces químicos durante las reacciones ".

Un modelo para reacciones biológicas importantes

Esta fue la última de una serie de películas moleculares protagonizadas por 1, 3-ciclohexadieno, o CHD, una molécula en forma de anillo derivada del aceite de pino. En un gas a baja presión, sus moléculas flotan libremente y son fáciles de estudiar. y sirve como un modelo importante para reacciones biológicas más complejas como la que produce la vitamina D cuando la luz del sol golpea la piel.

En estudios que se remontan a casi 20 años, Los científicos han estudiado cómo se rompe el anillo de CHD cuando la luz lo golpea, primero con técnicas de difracción de electrones, y más recientemente con la "cámara de electrones, "MeV-UED, y láser de rayos X de electrones libres, la fuente de luz coherente Linac (LCLS). Estos y otros estudios en todo el mundo han revelado cómo se desarrolla la reacción con cada vez más detalle.

Hace cuatro años, investigadores de Brown, SLAC y Edimburgo utilizaron LCLS para hacer una película molecular del anillo CHD que se separó, - la primera película molecular jamás registrada con rayos X. Este logro fue catalogado como uno de los 75 avances científicos más importantes que surgieron de un laboratorio nacional del DOE, junto con descubrimientos como la decodificación de ADN y la detección de neutrinos.

Pero ninguno de esos experimentos previos pudo observar el paso inicial de barajado de electrones, porque no había forma de burlarlo aparte de los movimientos mucho mayores de los núcleos atómicos de la molécula.

Electrones en el centro de atención

Para este estudio, un equipo experimental dirigido por Weber adoptó un enfoque ligeramente diferente:golpearon muestras de gas CHD con una longitud de onda de luz láser que excitó las moléculas a un estado que vive durante un período de tiempo relativamente largo:200 femtosegundos, o millonésimas de mil millonésimas de segundo, por lo que su estructura electrónica podría ser probada con pulsos de láser de rayos X LCLS.

"La dispersión de rayos X se ha utilizado para determinar la estructura de la materia durante más de 100 años, "dijo Adam Kirrander, profesor titular en Edimburgo y coautor principal del estudio, "pero esta es la primera vez que se observa directamente la estructura electrónica de un estado excitado".

La técnica utilizada, llamada dispersión de rayos X no resonante, mide la disposición de los electrones en una muestra, y el equipo esperaba capturar cambios en la distribución de electrones a medida que la molécula absorbía la luz. Su medición confirmó esa expectativa:mientras que la señal de los electrones era débil, los investigadores pudieron capturar sin ambigüedades cómo la nube de electrones se deformó en una más grande, nube más difusa correspondiente a un estado electrónico excitado.

Era fundamental observar estos cambios electrónicos antes de que los núcleos comenzaran a moverse.

"En una reacción química, los núcleos atómicos se mueven y es difícil desenredar esa señal de las otras partes que pertenecen a los enlaces químicos que se forman o se rompen, "dijo Haiwang Yong, un doctorado estudiante de la Universidad de Brown y autor principal del informe. "En este estudio, el cambio en las posiciones de los núcleos atómicos es comparativamente pequeño en esa escala de tiempo, así que pudimos ver los movimientos de los electrones justo después de que la molécula absorbe la luz ".

El científico senior del personal de SLAC, Michael Minitti, agregó:"Estamos imaginando estos electrones a medida que se mueven y cambian. Esto allana el camino para observar los movimientos de los electrones en y alrededor de la ruptura de enlaces y la formación de enlaces directamente y en tiempo real; en ese sentido, es similar a la fotografía".