Las reacciones químicas son mecanismos complejos. Están involucrados muchos procesos dinámicos diferentes, que afectan tanto a los electrones como al núcleo de los átomos presentes. Muy a menudo, la dinámica nuclear y de electrones fuertemente acoplados induce procesos de relajación sin radiación conocidos como intersecciones cónicas. Esta dinámica, que está en la base de muchas funciones biológicas y químicas relevantes, es extremadamente difícil de detectar experimentalmente.
El problema surge cuando se intenta rastrear simultáneamente el movimiento nuclear y electrónico, ya que sus dinámicas son difíciles de desentrañar y ocurren en escalas de tiempo ultrarrápidas comparables. Por eso, en los últimos años, capturar la evolución dinámica molecular en tiempo real se ha convertido en uno de los desafíos más candentes compartidos por físicos y químicos.
Sin embargo, en un estudio reciente de Nature Photonics publicación, los investigadores del ICFO Dr. Stefano Severino, Dr. Maurizio Reduzzi, Dr. Adam Summers, Hung-Wei Sun, Ying-Hao Chien dirigidos por el Prof. ICREA del ICFO Jens Biegert, junto con el apoyo teórico del Dr. Karl Michael Ziems y La profesora Stefanie Gräfe de la Friedrich-Schiller-Universität Jena ha presentado una poderosa herramienta basada en espectroscopia de nivel central de attosegundos para investigar la dinámica molecular en tiempo real, que es capaz de superar los desafíos antes mencionados.
Han evaluado su método rastreando la evolución del furano en fase gaseosa, una molécula orgánica hecha de carbono, hidrógeno y oxígeno dispuesta en una geometría pentagonal. Su estructura cíclica da a este tipo de especies el nombre de "anillo" químico.
La elección no fue arbitraria, ya que el furano es el sistema prototípico para el estudio de anillos orgánicos heterocíclicos, los constituyentes esenciales de muchos productos cotidianos diferentes, como combustibles, productos farmacéuticos o agroquímicos. Por ello, conocer su dinámica y sus procesos de relajación es de gran importancia.
El equipo pudo resolver en el tiempo los detalles de toda la dinámica de apertura del anillo del furano, es decir, la fisión del enlace entre un carbono y el oxígeno, que rompe su estructura cíclica. Para ello, tuvieron que rastrear las llamadas intersecciones cónicas (CI), puertas de enlace ultrarrápidas entre diferentes estados energéticos que emprende el furano en su evolución hacia la apertura de anillos.
En su experimento, un rayo de luz (el pulso de bomba) excitó primero la molécula de furano. Luego, se utilizó un attosegundo y un pulso mucho más débil (la sonda) para monitorear los cambios inducidos por la bomba en la muestra.
Después de la fotoexcitación inicial, las tres intersecciones cónicas esperadas se localizaron en el tiempo analizando los cambios en el espectro de absorción en función del retraso entre la bomba y la sonda. La aparición y desaparición de las características de absorción, así como su comportamiento oscilatorio, proporcionan firmas de los cambios en el estado electrónico del furano.
Además, pudieron ver que el paso por la primera transición CI genera una superposición cuántica entre los estados electrónicos inicial y final, que se manifiesta en forma de latidos cuánticos. Este fenómeno ultrarrápido, que sólo puede explicarse mediante la teoría cuántica, fue extremadamente difícil de identificar en experimentos anteriores.
El segundo IC fue, en principio, aún más desafiante de capturar, ya que el estado electrónico final no emite ni absorbe fotones (es un estado ópticamente oscuro), por lo que su detección mediante métodos convencionales es extremadamente exigente. Sin embargo, en este caso, su plataforma realizó la tarea tan bien como antes.
Después de eso se debía abrir el anillo y el equipo del equipo volvió a salir victorioso en su detección. El paso de la molécula de una geometría de anillo cerrada a una abierta implica una ruptura de simetría que queda impresa en el espectro de absorción. La herramienta espectroscópica utilizada por los investigadores demostró ser extremadamente sensible a la estructura nuclear, y la apertura del anillo se manifestó como la aparición de nuevos picos de absorción.
Finalmente, la molécula se relajó hasta el estado fundamental (el orbital molecular más bajo disponible) a través de la tercera intersección cónica, cuya transición nuevamente se resolvió con precisión en el tiempo.
En definitiva, Biegert y su grupo han propuesto e informado con éxito sobre una nueva metodología analítica para revelar el complejo e intrincado proceso de apertura del anillo molecular en su escala de tiempo nativa ultrarrápida.
La alta resolución temporal combinada y el espectro energético coherente de su técnica de vanguardia les permitió no sólo rastrear las transiciones de furano a través de intersecciones cónicas sino también identificar coherencias electrónicas y nucleares, latidos cuánticos, estados ópticamente oscuros y cambios de simetría, proporcionando una Imagen extremadamente detallada de todo el proceso de relajación.
Es importante resaltar que el poder de la espectroscopia de nivel central de attosegundos no se limita a esta molécula en particular, sino que consiste en una herramienta general diseñada para usarse también con otras especies.
Por tanto, este nuevo mecanismo puede sacar a la luz la compleja dinámica de funciones relevantes, como el mecanismo de fotoprotección de la base del ADN. Además, los investigadores identifican la manipulación de reacciones moleculares eficientes y dinámicas de relajación energética como algunas de las aplicaciones más prometedoras para su trabajo.
Más información: S. Severino et al, La espectroscopia de absorción a nivel del núcleo de attosegundos revela la dinámica electrónica y nuclear de la apertura del anillo molecular, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01436-9
Información de la revista: Fotónica de la naturaleza
Proporcionado por ICFO
