A menudo representado como globos de colores o nubes, los orbitales de electrones proporcionan información sobre el paradero de los electrones en las moléculas, un poco como instantáneas borrosas. Para comprender el intercambio de electrones en reacciones químicas, No solo es importante conocer su distribución espacial sino también su movimiento en el tiempo. Científicos de Julich, Marburgo, y Graz ahora han hecho un gran progreso en esta dirección:registraron con éxito imágenes orbitales con una resolución temporal extremadamente alta.

"Por décadas, La química se ha regido por dos objetivos ambiciosos, "dice el profesor Stefan Tautz, jefe del sustituto de la nanociencia cuántica en Forschungszentrum Jülich. "Uno de ellos es comprender las reacciones químicas directamente a partir de la distribución espacial de los electrones en las moléculas, mientras que el otro es rastrear la dinámica de los electrones a lo largo del tiempo durante una reacción química ". Ambos objetivos se han logrado en descubrimientos innovadores en química:la teoría de los orbitales moleculares de frontera explicó el papel de la distribución de electrones en las moléculas durante las reacciones químicas, mientras que la espectroscopía de femtosegundos permitió observar estados de transición en las reacciones. "Ha sido durante mucho tiempo un sueño de la química física combinar estos dos desarrollos y luego rastrear electrones en una reacción química en el tiempo y el espacio".

Los científicos se han acercado mucho más a lograr este objetivo:observaron procesos de transferencia de electrones en una interfaz metal-molécula en el espacio y el tiempo. Tales interfaces son el foco de investigación en el Centro de Investigación Colaborativa 1083 de la Fundación de Investigación Alemana en Philipps-Universität Marburg, y fueron los experimentos llevados a cabo aquí los que llevaron a la publicación de hoy. "Inicialmente, las interfaces parecen no tener más de dos capas una al lado de la otra, mientras que, de hecho, son el lugar donde surgen las funciones de los materiales. Por tanto, juegan un papel decisivo en las aplicaciones tecnológicas, "dice Ulrich Höfer, profesor de física experimental en la Philipps-Universität Marburg y portavoz del centro de investigación colaborativa. En células solares orgánicas, por ejemplo, la combinación de diferentes materiales en una interfaz mejora la división de los estados excitados por la luz incidente, permitiendo así que la electricidad fluya. Las interfaces también juegan un papel clave en las pantallas de diodos emisores de luz orgánicos (OLED) que se utilizan en los teléfonos inteligentes, por ejemplo.

El enfoque experimental utilizado por los científicos se basa en un gran avance realizado hace unos años en la espectroscopia molecular:tomografía orbitaria por fotoemisión, que a su vez se basa en el conocido efecto fotoeléctrico. "Aquí, una capa de moléculas sobre una superficie metálica es bombardeada con fotones, o partículas de luz, que excita los electrones y hace que se liberen, "dice el profesor Peter Puschnig de la Universidad de Graz." Estos electrones liberados no simplemente vuelan en el espacio, pero, y este es el punto decisivo, en función de su distribución angular y distribución de energía, proporcionan una buena indicación de la distribución espacial de los electrones en los orbitales moleculares ".

"El resultado clave de nuestro trabajo es que podemos obtener imágenes de los tomogramas orbitarios con una resolución ultra alta a lo largo del tiempo, "dice el Dr. Robert Wallauer, líder de grupo y asistente de investigación en Philipps-Universität Marburg. Para hacerlo los científicos no solo usaron láseres especiales con pulsos ultracortos en el rango de femtosegundos para excitar los electrones en las moléculas; también utilizaron un microscopio de impulsos novedoso que midió simultáneamente la dirección y la energía de los electrones liberados con una sensibilidad muy alta. Un femtosegundo es 10 ^-15 segundos:una millonésima de mil millonésima de segundo. En relación a un segundo, esto es tan poco como un segundo en relación con 32 millones de años. Estos pulsos cortos son como una especie de luz estroboscópica y se pueden utilizar para descomponer procesos rápidos en imágenes individuales. Esto permitió a los investigadores rastrear la transferencia de electrones como en cámara lenta. "Esto nos permitió rastrear espacialmente las vías de excitación de electrones casi en tiempo real, "dice Tautz." En nuestro experimento, un electrón fue primero excitado desde su estado inicial a un orbital molecular desocupado por un primer pulso de láser antes de que un segundo pulso de láser le permitiera finalmente alcanzar el detector. No solo pudimos observar este proceso en detalle a lo largo del tiempo, pero los tomogramas también nos permitieron rastrear claramente de dónde provenían los electrones ".

"Creemos que nuestros hallazgos representan un avance crucial hacia el objetivo de rastrear electrones a través de reacciones químicas en el espacio y el tiempo, ", dice Ulrich Höfer." Además de los conocimientos fundamentales sobre las reacciones químicas y los procesos de transferencia de electrones, estos hallazgos también tendrán implicaciones muy prácticas. Abren innumerables posibilidades para la optimización de interfaces y nanoestructuras y los procesadores resultantes, sensores, muestra, células solares orgánicas, catalizadores, y potencialmente incluso aplicaciones y tecnologías en las que ni siquiera hemos pensado ".

El estudio se publica en Ciencias .