En un experimento similar a la fotografía stop-motion, los científicos han aislado el movimiento energético de un electrón mientras "congelan" el movimiento del átomo mucho más grande alrededor del cual orbita en una muestra de agua líquida.
Los hallazgos, publicados en la revista Science , proporcionan una nueva ventana a la estructura electrónica de las moléculas en fase líquida en una escala de tiempo previamente inalcanzable con los rayos X. La nueva técnica revela la respuesta electrónica inmediata cuando un objetivo es alcanzado por rayos X, un paso importante para comprender los efectos de la exposición a la radiación en objetos y personas.
"Las reacciones químicas inducidas por la radiación que queremos estudiar son el resultado de la respuesta electrónica del objetivo que ocurre en la escala de tiempo de attosegundos", dijo Linda Young, autora principal de la investigación y miembro distinguida del Laboratorio Nacional Argonne. P>
"Hasta ahora, los químicos de la radiación sólo podían resolver eventos en la escala de tiempo de picosegundos, un millón de veces más lento que un attosegundo. Es como decir 'nací y luego morí'. Le gustaría saber qué sucede en el medio. Eso es lo que ahora podemos hacer."
Un grupo multiinstitucional de científicos de varios laboratorios nacionales del Departamento de Energía y universidades de EE. UU. y Alemania combinaron experimentos y teorías para revelar en tiempo real las consecuencias cuando la radiación ionizante de una fuente de rayos X impacta la materia.
Trabajar en las escalas de tiempo en las que ocurre la acción permitirá al equipo de investigación comprender más profundamente la química compleja inducida por la radiación. De hecho, estos investigadores se unieron inicialmente para desarrollar las herramientas necesarias para comprender el efecto de la exposición prolongada a la radiación ionizante en las sustancias químicas que se encuentran en los desechos nucleares.
"Los miembros de nuestra red de inicio de carrera participaron en el experimento y luego se unieron a nuestros equipos experimentales y teóricos completos para analizar y comprender los datos", dijo Carolyn Pearce, directora de IDREAM EFRC y química del PNNL. "No podríamos haber hecho esto sin las asociaciones de IDREAM."
Las partículas subatómicas se mueven tan rápido que capturar sus acciones requiere una sonda capaz de medir el tiempo en attosegundos, un marco de tiempo tan pequeño que hay más attosegundos en un segundo que segundos en la historia del universo.
La investigación actual se basa en la nueva ciencia de la física de attosegundos, reconocida con el Premio Nobel de Física 2023. Los pulsos de rayos X de attosegundos solo están disponibles en un puñado de instalaciones especializadas en todo el mundo. Este equipo de investigación llevó a cabo su trabajo experimental en Linac Coherent Light Source (LCLS), ubicada en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, en Menlo Park, California, donde el equipo local fue pionero en el desarrollo de láseres de electrones libres de rayos X de attosegundos.
"Los experimentos de attosegundos resueltos en el tiempo son uno de los desarrollos emblemáticos de I+D en la fuente de luz coherente Linac", dijo Ago Marinelli del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, quien, junto con James Cryan, dirigió el desarrollo del par sincronizado de attosegundos de rayos X. pulsos de bomba/sonda que utilizó este experimento. "Es emocionante ver cómo estos avances se aplican a nuevos tipos de experimentos y llevan la ciencia del attosegundo hacia nuevas direcciones".
La técnica desarrollada en este estudio, espectroscopía de absorción transitoria de attosegundos de rayos X en líquidos, les permitió "observar" los electrones energizados por los rayos X a medida que se mueven hacia un estado excitado, todo antes de que el núcleo atómico más voluminoso tenga tiempo de moverse. Eligieron el agua líquida como caso de prueba para un experimento.
"Ahora tenemos una herramienta con la que, en principio, se puede seguir el movimiento de los electrones y ver las moléculas recién ionizadas a medida que se forman en tiempo real", dijo Young, que también es profesor en el Departamento de Física y James Franck. Instituto de la Universidad de Chicago.
Estos hallazgos recientemente informados resuelven un debate científico de larga data sobre si las señales de rayos X observadas en experimentos anteriores son el resultado de diferentes formas estructurales, o "motivos", de la dinámica del átomo de agua o de hidrógeno. Estos experimentos demuestran de manera concluyente que esas señales no son evidencia de dos motivos estructurales en el agua líquida ambiental.
"Básicamente, lo que la gente estaba viendo en experimentos anteriores era la borrosidad causada por el movimiento de los átomos de hidrógeno", dijo Young. "Pudimos eliminar ese movimiento haciendo todas nuestras grabaciones antes de que los átomos tuvieran tiempo de moverse".
De reacciones simples a reacciones complejas
Los investigadores visualizan el estudio actual como el comienzo de una dirección completamente nueva para la ciencia de los attosegundos.
Para hacer el descubrimiento, los químicos experimentales del PNNL se asociaron con físicos de Argonne y la Universidad de Chicago, especialistas en espectroscopia de rayos X y físicos de aceleradores del SLAC, químicos teóricos de la Universidad de Washington y teóricos de la ciencia de los attosegundos del Centro de Hamburgo para Imágenes Ultrarrápidas y el Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), en Hamburgo, Alemania.
Durante la pandemia mundial, en 2021 y 2022, el equipo de PNNL utilizó técnicas desarrolladas en SLAC para rociar una lámina ultrafina de agua pura a lo largo de la trayectoria del pulso de la bomba de rayos X.
"Necesitábamos una capa de agua agradable, plana y delgada donde pudiéramos enfocar los rayos X", dijo Emily Nienhuis, química principiante en PNNL, quien inició el proyecto como investigadora asociada postdoctoral. "Esta capacidad fue desarrollada en el LCLS". En PNNL, Nienhuis demostró que esta técnica también se puede utilizar para estudiar las soluciones concentradas específicas que son fundamentales para IDREAM EFRC y se investigarán en la siguiente etapa de la investigación.
Una vez recopilados los datos de rayos X, el químico teórico Xiaosong Li y el estudiante graduado Lixin Lu de la Universidad de Washington aplicaron sus conocimientos sobre interpretación de señales de rayos X para reproducir las señales observadas en SLAC. El equipo de CFEL, dirigido por el teórico Robin Santra, modeló la respuesta del agua líquida a los rayos X de attosegundos para verificar que la señal observada estaba efectivamente confinada a la escala de tiempo de attosegundos.
"Utilizando la supercomputadora Hyak de la Universidad de Washington, desarrollamos una técnica de química computacional de vanguardia que permitió la caracterización detallada de los estados cuánticos transitorios de alta energía en el agua", dijo Li, catedrático de química Larry R. Dalton en la Universidad de Washington. Universidad de Washington y miembro del laboratorio del PNNL.
"Este avance metodológico produjo un avance fundamental en la comprensión a nivel cuántico de la transformación química ultrarrápida, con una precisión excepcional y detalles a nivel atómico".
El investigador principal Young originó el estudio y supervisó su ejecución, que fue dirigida in situ por el primer autor y postdoctorado Shuai Li. El físico Gilles Doumy, también de Argonne, y el estudiante de posgrado Kai Li de la Universidad de Chicago formaron parte del equipo que realizó los experimentos y analizó los datos. El Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, ayudó a caracterizar el objetivo del chorro de agua.
Juntos, el equipo de investigación pudo echar un vistazo al movimiento en tiempo real de los electrones en agua líquida mientras el resto del mundo permanecía quieto.
"La metodología que desarrollamos permite el estudio del origen y la evolución de especies reactivas producidas por procesos inducidos por la radiación, como las que se encuentran en los viajes espaciales, los tratamientos contra el cáncer, los reactores nucleares y los residuos heredados", afirmó Young.
Más información: Shuai Li et al, Espectroscopia de rayos X de agua líquida con sonda de attosegundos y bomba de attosegundos, Ciencia (2024). DOI:10.1126/science.adn6059. www.science.org/doi/10.1126/science.adn6059
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
