En experimentos con el láser de rayos X de electrones libres de SLAC, Los científicos eliminaron electrones de una molécula conocida como DMP para hacer las primeras observaciones detalladas de cómo un proceso llamado transferencia de carga afecta su estructura molecular. Izquierda:DMP es normalmente simétrico. Centro:cuando un pulso de luz saca un electrón de uno de sus átomos de nitrógeno (esferas azules), deja un ion cargado positivamente conocido como centro de carga, se muestra en rosa. Esto crea un desequilibrio de carga que cambia las posiciones de los átomos. Derecha:Pero en tres billonésimas de segundo, la carga se redistribuye entre los dos átomos de nitrógeno hasta que se nivela y la molécula vuelve a ser simétrica. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Cuando la luz golpea ciertas moléculas, Desaloja electrones que luego se mueven de un lugar a otro, creando áreas de carga positiva y negativa. Esta "transferencia de carga" es muy importante en muchas áreas de la química, en procesos biológicos como la fotosíntesis y en tecnologías como dispositivos semiconductores y células solares.
Aunque se han desarrollado teorías para explicar y predecir cómo funciona la transferencia de carga, se han validado sólo indirectamente debido a la dificultad de observar cómo responde la estructura de una molécula a los movimientos de carga con la resolución atómica requerida y en las escalas de tiempo ultrarrápidas requeridas.
En un nuevo estudio, un equipo de investigación dirigido por científicos de la Universidad de Brown, El Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Edimburgo utilizaron el láser de rayos X de electrones libres de SLAC para realizar las primeras observaciones directas de estructuras moleculares asociadas con la transferencia de carga en moléculas de gas impactadas con luz.
Moléculas de este gas, llamado N, N-dimetilpiperazina o DMP, son normalmente simétricos, con un átomo de nitrógeno en cada extremo. La luz puede sacar un electrón de un átomo de nitrógeno, dejando un ion cargado positivamente conocido como "centro de carga".
Curiosamente, este proceso es desigual; la absorción de luz crea un centro de carga en solo uno de los dos átomos de nitrógeno, y este desequilibrio de carga deforma el andamiaje atómico de la molécula, por lo que los átomos se compensan cambiando de posición entre sí. Pero en tres billonésimas de segundo, la carga se redistribuye entre los dos átomos de nitrógeno hasta que se nivela y las moléculas vuelven a ser simétricas, los investigadores informan en un artículo publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias hoy dia.
Su estudio es el primero en observar directamente cómo cambia la estructura de una molécula a medida que se redistribuye la carga, con algunos enlaces químicos cada vez más largos y otros más cortos, antes de finalmente relajarse de nuevo en su estado original.
"Vemos las moléculas rompiendo la simetría y reformando la simetría, "dijo Peter Weber, un profesor de química en la Universidad de Brown cuyo grupo de investigación comenzó a estudiar DMP hace casi una década. Dirigió el estudio con Adam Kirrander de la Universidad de Edimburgo y el científico senior de SLAC Michael Minitti.
Los experimentos de rayos X con láser de electrones libres en el SLAC National Accelerator Laboratory han brindado a los científicos su primera visión detallada de cómo la transferencia de carga, un proceso muy importante en toda la química, funciona en moléculas llamadas DMP. centrar. Las moléculas fueron golpeadas con un pulso de luz para iniciar el proceso. seguido de un pulso de láser de rayos X para observar los cambios resultantes en su estructura durante 3 billonésimas de segundo. Los rayos X se dispersan de las moléculas individuales hacia un detector, creando patrones que muestran movimientos ultrarrápidos de los átomos con resolución atómica. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Una respuesta desigual
Científicos del grupo de Weber, incluido Xinxin Cheng, un Ph.D. estudiante que ahora es un científico asociado del personal de SLAC, descubrió la respuesta asimétrica de la molécula a la luz hace ocho años. Resultó que los átomos de nitrógeno de la molécula están a la distancia adecuada entre sí para convertirla en un modelo ideal para estudiar la transferencia de carga. un descubrimiento que provocó mucha discusión entre los teóricos que trabajan para comprender estos procesos, así como esfuerzos para observarlos con más detalle.
En este último estudio, Haiwang Yong, un doctorado estudiante en el laboratorio de Weber, trabajó con los científicos de SLAC para proporcionar una observación mucho más directa de la respuesta de DMP a la luz. Golpearon gas DMP con pulsos de luz seguidos de extremadamente cortos, pulsos de láser de rayos X ultrabrillantes de la fuente de luz coherente Linac (LCLS) del laboratorio. Los rayos X de LCLS se dispersaron de las moléculas de una manera que revelaron las posiciones de los átomos individuales, la longitud de los lazos entre ellos y cómo cambiaron en tan solo unas billonésimas de segundo.
"Es fascinante ver cómo los rayos X pueden resolver los cambios en la estructura molecular que surgen de la transferencia de carga, "Dijo Kirrander.
Weber dijo que los resultados demuestran el valor de la técnica para extraer información más detallada que en experimentos anteriores. El equipo de investigación utilizó esa información para probar modelos teóricos de cómo responden las moléculas, revelando fallas en el enfoque convencional conocido como teoría funcional de la densidad. Weber señaló que los datos parecen respaldar cálculos teóricos detallados de cómo se llevan a cabo estas transferencias de cargos por Hannes Jonsson de la Universidad de Islandia, que no participó en este estudio.
Minitti, que ha estado trabajando en DMP con el laboratorio Brown desde el principio y participó en este estudio, Dijo que ha sido difícil obtener una comprensión teórica de cómo funcionan estos sistemas asimétricos porque los datos experimentales sobre ellos han sido muy escasos e indirectos.
"Este trabajo es un importante paso adelante, " él dijo, "dándonos información crítica sobre cómo responde la molécula durante el proceso de transferencia de carga. Investigaciones como esta toman una aldea; necesitamos experimentos para informar la teoría, y viceversa, para ayudarnos a visualizar esta cosa ".
Avanzando, se está produciendo un gran aumento en la tasa de repetición de pulsos de la fuente de rayos X LCLS, con un salto de 120 pulsos por segundo a 1 millón de pulsos por segundo. Esto permitirá a los investigadores estudiar sistemas mucho más complejos, informar el desarrollo de nuevos enfoques para la generación de energía solar y las tecnologías de almacenamiento de energía, entre muchas otras aplicaciones.
