La mayor parte de lo que se sabe sobre los enlaces químicos proviene del estudio de moléculas en reposo. Pero cuando las moléculas absorben luz, los átomos que las constituyen comienzan a vibrar, lo que cambia rápidamente la forma de sus enlaces químicos. Esto puede alterar drásticamente la forma en que las moléculas reaccionan entre sí.
Estudiar la dinámica de los átomos en estas escalas de tiempo ultrarrápidas ha sido difícil, pero en los últimos años, nuevas fuentes de rayos X han abierto nuevas posibilidades. En el láser de electrones libres de rayos X Linac Coherent Light Source (LCLS) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en Menlo Park, California, los científicos han desarrollado una técnica innovadora llamada espectroscopia fuera de resonancia de alta energía y resolución, o HEROS.
Se trata de hacer pasar electrones de alta energía sincronizados con un pulso láser a través de las moléculas oscilantes y luego analizar cómo se dispersan los electrones en distintos ángulos. Esto permite a los investigadores observar directamente cómo cambian las longitudes y los ángulos de los enlaces químicos de la molécula en tiempo real.
En un experimento de prueba de concepto, el equipo estudió moléculas de monóxido de carbono alcanzadas por un pulso láser de femtosegundo en SLAC. Los experimentos midieron, en tiempo real, los cambios dependientes del tiempo en la longitud del enlace carbono-oxígeno después de que se absorbiera la luz.
"Queremos entender cómo fluye la energía entre diferentes partes de la molécula", dijo Giulia Pinardi, investigadora postdoctoral en SLAC y autora principal de un estudio publicado en Physical Review Letters el 17 de diciembre. "Si eso puede suceder en un período muy corto, escala de tiempo, puede influir en lo que la molécula termina haciendo".
En este caso, el monóxido de carbono vibra después de la absorción de luz, lo que impide que la molécula se disocia en átomos de carbono y oxígeno libres. Al capturar este movimiento en detalle, el equipo podría aprender mucho sobre cómo las vibraciones moleculares afectan la reactividad química.
En el futuro, el equipo planea utilizar la técnica HEROS para investigar movimientos moleculares más específicos. También quieren seguir reacciones químicas en moléculas más complejas que podrían ser relevantes para el diseño de nuevos fármacos o materiales.
"HEROS es esencialmente como la fotografía estroboscópica", dijo el coautor Mike Minitti. "Podemos tomar una serie de instantáneas con un láser de rayos X para observar los movimientos a medida que avanza la reacción. Eso es algo nuevo y es un testimonio del láser de rayos X".
