Un nuevo estudio muestra que los electrones se dispersan de las moléculas de piridina de dos formas diferentes, como se muestra en el cono naranja rayado y la bobina roja, podría estar separado, permitiendo a los investigadores observar simultáneamente cómo los núcleos y electrones de la molécula responden a los destellos de luz. El estudio se realizó con la "cámara de electrones, "MeV-UED. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Usando una "cámara de electrones" de alta velocidad en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, Los científicos han capturado simultáneamente los movimientos de electrones y núcleos en una molécula después de que se excitó con luz. Esta es la primera vez que se hace con difracción de electrones ultrarrápida, que dispersa un poderoso haz de electrones de los materiales para captar pequeños movimientos moleculares.
"En esta investigación, mostramos que con la difracción de electrones ultrarrápida, es posible seguir los cambios electrónicos y nucleares mientras desenreda naturalmente los dos componentes, "dice Todd Martinez, un profesor de química de Stanford e investigador del Stanford PULSE Institute que participó en el experimento. "Esta es la primera vez que hemos podido ver directamente las posiciones detalladas de los átomos y la información electrónica al mismo tiempo".
La técnica podría permitir a los investigadores obtener una imagen más precisa de cómo se comportan las moléculas mientras miden aspectos de los comportamientos electrónicos que están en el corazón de las simulaciones de química cuántica. proporcionando una nueva base para los futuros métodos teóricos y computacionales. El equipo publicó sus hallazgos hoy en Ciencias .
Esqueletos y pegamento
En investigaciones anteriores, Instrumento de SLAC para difracción de electrones ultrarrápida, MeV-UED, permitió a los investigadores crear "películas" de alta definición de moléculas en una encrucijada y cambios estructurales que ocurren cuando las moléculas en forma de anillo se abren en respuesta a la luz. Pero hasta ahora el instrumento no era sensible a los cambios electrónicos en las moléculas.
"En el pasado, pudimos rastrear los movimientos atómicos a medida que ocurrían, "dice el autor principal Jie Yang, científico de la Dirección de Aceleración de SLAC y del Stanford PULSE Institute. "Pero si miras más de cerca, Verá que los núcleos y electrones que forman los átomos también tienen roles específicos que desempeñar. Los núcleos forman el esqueleto de la molécula, mientras que los electrones son el pegamento que mantiene unido el esqueleto ".
Congelación de movimientos ultrarrápidos
En estos experimentos, un equipo dirigido por investigadores de SLAC y la Universidad de Stanford estaba estudiando piridina, que pertenece a una clase de moléculas en forma de anillo que son fundamentales para los procesos impulsados por la luz, como el daño y la reparación del ADN inducidos por los rayos UV, fotosíntesis y conversión de energía solar. Debido a que las moléculas absorben la luz casi instantáneamente, estas reacciones son extremadamente rápidas y difíciles de estudiar. Las cámaras de velocidad ultrarrápida como MeV-UED pueden "congelar" los movimientos que ocurren en femtosegundos, o millonésimas de mil millonésimas de segundo, para permitir a los investigadores seguir los cambios a medida que ocurren.
Primero, los investigadores enviaron luz láser a un gas de moléculas de piridina. Próximo, volaron las moléculas excitadas con un pulso corto de electrones de alta energía, generando instantáneas de sus electrones y núcleos atómicos que se reorganizan rápidamente y que se pueden unir en una película de stop-motion de los cambios estructurales inducidos por la luz en la muestra.
Con métodos anteriores, los investigadores pudieron observar el átomo de nitrógeno en una molécula de piridina doblarse hacia arriba y hacia abajo cuando se excita con la luz. Con este nuevo método, también pudieron ver cambios en la densidad de electrones que ocurren al mismo tiempo. Las burbujas azules representan una disminución de la densidad de electrones, mientras que las rojas muestran un aumento en relación con la piridina no excitada. Crédito:Jimmy Yu / Universidad de Stanford
Una separación limpia
El equipo descubrió que las señales de dispersión elástica, producido cuando los electrones se difractan de una molécula de piridina sin absorber energía, información codificada sobre el comportamiento nuclear de las moléculas, mientras que las señales de dispersión inelásticas, producido cuando los electrones intercambian energía con la molécula, contenía información sobre cambios electrónicos. Los electrones de estos dos tipos de dispersión emergieron en diferentes ángulos, permitiendo a los investigadores separar limpiamente las dos señales y observar directamente lo que estaban haciendo los electrones y los núcleos de la molécula al mismo tiempo.
"Ambas observaciones concuerdan casi con precisión con una simulación que está diseñada para tener en cuenta todos los posibles canales de reacción, "dice el coautor Xiaolei Zhu, quien era becario postdoctoral en Stanford en el momento de este experimento. "Esto nos proporciona una visión excepcionalmente clara de la interacción entre los cambios electrónicos y nucleares".
Técnicas complementarias
Los científicos creen que este método complementará el rango de información estructural recopilada a través de difracción de rayos X y otras técnicas en instrumentos como el láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC, que es capaz de medir detalles precisos de la dinámica química en las escalas de tiempo más cortas, como se informó recientemente para otra reacción química inducida por la luz.
"Estamos viendo que MeV-UED se está convirtiendo cada vez más en una herramienta que complementa otras técnicas, "dice el coautor y científico de SLAC Thomas Wolf." El hecho de que podamos obtener estructuras electrónicas y nucleares en el mismo conjunto de datos, medidos juntos pero observados por separado, brindará nuevas oportunidades para combinar lo que aprendemos con el conocimiento de otros experimentos ".
'Una nueva forma de ver las cosas'
En el futuro, esta técnica podría permitir a los científicos seguir procesos fotoquímicos ultrarrápidos donde la sincronización de los cambios electrónicos y nucleares es crucial para el resultado de la reacción.
"Esto realmente abre una nueva forma de ver las cosas con difracción de electrones ultrarrápida, "dice el coautor Xijie Wang, director del instrumento MeV-UED. "Siempre estamos tratando de averiguar cómo interactúan los electrones y los núcleos para hacer que estos procesos sean tan rápidos. Esta técnica nos permite distinguir qué ocurre primero:el cambio en los electrones o el cambio en los núcleos. Una vez que se obtiene un imagen completa de cómo se desarrollan estos cambios, puede comenzar a predecir y controlar reacciones fotoquímicas ".
