•Notícia
Compartir
Anomenat 'Selfie Molecular', l'estudi s'ha publicat el 21/10 a 'Science'
Un estudi de l'ICFO revela el trencament d'enllaços químics i capta com un protó s'escapa d'una molècula
Un equip de científics de l'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) —institut universitari de recerca adscrit a la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)— ha aconseguit monitoritzar directament la localització de tots els àtoms d'una molècula sencera, observant alhora com un dels enllaços químics es trenca i deixa escapar un protó.
21/10/2016
Imagineu-vos poder observar com els àtoms individuals de les molècules es reordenen durant una reacció química per formar una nova substància, o observar els components de l'ADN movent-se, reorganitzant-se i fins i tot replicant-se. Aquesta capacitat podria donar una visió sense precedents per comprendre i, potencialment, controlar aquests processos.
La simple idea de poder veure com es trenquen les molècules o com es transformen durant les reaccions químiques ha estat, fins ara, quelcom inabastable, atès que, per aconseguir-ho, es requereix seguir tots els àtoms que constitueixen una molècula, fent-ho amb una resolució temporal de pocs femto-segons, així com amb una resolució espacial subatòmica. Per tant, poder obtenir imatges "instantànies" amb una resolució espai-temporal combinada que permeti visualitzar una reacció molecular era considerat quasi com de ciència-ficció. Ara bé, fa exactament 20 anys, una de les idees proposades va considerar l'ús dels propis electrons de la molècula per fotografiar la seva estructura: és a dir, ensenyar a la molècula a fer-se un selfie! La idea era brillant, però impossible d'aplicar-se fins a l'actualitat.
En un estudi recent, publicat el 21 d 'octubre a la revista Science, els investigadors del grup de recerca d’Attociència i Òptica Ultra-ràpida de l'ICFO en col·laboració amb investigadors dels Estats Units, els Països Baixos, Dinamarca i Alemanya, han informat sobre l’obtenció d'imatges instantànies del trencament d'un enllaç molecular d'acetilè (C2H2) en 9 femtosegons (1 femtosegon = 1 milionèsima d'una bilionèsima part d'un segon) després de la seva ionització. L'equip ha aconseguit realitzar un seguiment dels àtoms individuals d'una molècula aïllada d'acetilè amb una resolució espacial de fins a 0,05 Ångström —una resolució més petita que l'ample d'un àtom individual–, així com amb una resolució temporal de 0,6 femtosegons. Fins i tot, han estat capaços de desencadenar el trencament d'un sol enllaç de la molècula i veure com un protó era expulsat de la molècula.
"El nostre mètode ha aconseguit finalment la resolució espacial temporal necessària per poder prendre imatges instantànies de la dinàmica
La simple idea de poder veure com es trenquen les molècules o com es transformen durant les reaccions químiques ha estat, fins ara, quelcom inabastable, atès que, per aconseguir-ho, es requereix seguir tots els àtoms que constitueixen una molècula, fent-ho amb una resolució temporal de pocs femto-segons, així com amb una resolució espacial subatòmica. Per tant, poder obtenir imatges "instantànies" amb una resolució espai-temporal combinada que permeti visualitzar una reacció molecular era considerat quasi com de ciència-ficció. Ara bé, fa exactament 20 anys, una de les idees proposades va considerar l'ús dels propis electrons de la molècula per fotografiar la seva estructura: és a dir, ensenyar a la molècula a fer-se un selfie! La idea era brillant, però impossible d'aplicar-se fins a l'actualitat.
En un estudi recent, publicat el 21 d 'octubre a la revista Science, els investigadors del grup de recerca d’Attociència i Òptica Ultra-ràpida de l'ICFO en col·laboració amb investigadors dels Estats Units, els Països Baixos, Dinamarca i Alemanya, han informat sobre l’obtenció d'imatges instantànies del trencament d'un enllaç molecular d'acetilè (C2H2) en 9 femtosegons (1 femtosegon = 1 milionèsima d'una bilionèsima part d'un segon) després de la seva ionització. L'equip ha aconseguit realitzar un seguiment dels àtoms individuals d'una molècula aïllada d'acetilè amb una resolució espacial de fins a 0,05 Ångström —una resolució més petita que l'ample d'un àtom individual–, així com amb una resolució temporal de 0,6 femtosegons. Fins i tot, han estat capaços de desencadenar el trencament d'un sol enllaç de la molècula i veure com un protó era expulsat de la molècula.
"El nostre mètode ha aconseguit finalment la resolució espacial temporal necessària per poder prendre imatges instantànies de la dinàmica
molecular sense perdre cap dels seus esdeveniments, i estem ansiosos per provar-ho en 
altres sistemes moleculars com catalitzadors químics o sistemes bio-rellevants", ha explicat Jens Biegert, professor de la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) a l'ICFO i líder de la recerca.
Ensenyar a una molècula a fer-se un selfie L'equip va fabricar una font de làser ultra-ràpid en l'infraroig mig, amb tecnologia puntera, i ho va combinar amb un microscopi de reacció per detectar els moments de distribució en 3D d'electrons i ions en plena coincidència cinemàtica. Es va orientar una sola molècula aïllada d'acetilè a l'espai amb l'ajuda d'un làser de pols curt. Després, es va utilitzar un pols infraroig prou fort per alliberar un electró de la molècula, es va accelerar aquest electró amb una trajectòria de retorn i se’l va obligar a dispersar-se sobre la molècula ionitzada d'origen. Totes aquestes accions van passar en només 9 femtosegons.
Benjamin Walter afirma que "la trajectòria de vol i l'energia cinètica dels fragments de col·lisió es van registrar amb el microscopi de reacció, tal i com es fa en un gran experiment de física de partícules".
Després d'un meticulós i enginyós processament de dades, l'equip va ser capaç d'extreure tota l'estructura molecular i demostrar que l'orientació de la molècula al llarg del camp elèctric del làser, o perpendicular a ella, canviava completament la seva dinàmica. Per a una orientació, la molècula es va sotmetre a moviments vibracionals amb el camp de làser, mentre que per l'altra orientació, es va produir una clara ruptura d'un enllaç C-H. Aquest és el primer experiment en aconseguir tenir una visualització directa del trencament de l'enllaç i una observació del protó durant la seva expulsió de la molècula ionitzada [C2H2] 2+, cosa que mai s'havia vist abans.
"Vam agafar un electró, el vam conduir al llarg d'una trajectòria específica amb el làser i el vam dispersar sobre una molècula aïllada per observar i registrar el seu patró de difracció", explica Biegert. "És sorprenent poder imaginar i comprendre les escales de temps i longitud de l'experiment".
Els resultats de la recerca han estat possibles gràcies a la cooperació entre científics teòrics i experimentals, físics atòmics i químics quàntics de l'ICFO i de diversos centres de recerca i de formació superior: Kansas State University, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Physikalisch Technische Bundesanstalt, Center for Free Electron Laser Science / DESY / CUI, Aarhus University, Friedrich-Schiller University Jena, Leiden University i Universität Kassel.
altres sistemes moleculars com catalitzadors químics o sistemes bio-rellevants", ha explicat Jens Biegert, professor de la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) a l'ICFO i líder de la recerca. Ensenyar a una molècula a fer-se un selfie
Benjamin Walter afirma que "la trajectòria de vol i l'energia cinètica dels fragments de col·lisió es van registrar amb el microscopi de reacció, tal i com es fa en un gran experiment de física de partícules".
Després d'un meticulós i enginyós processament de dades, l'equip va ser capaç d'extreure tota l'estructura molecular i demostrar que l'orientació de la molècula al llarg del camp elèctric del làser, o perpendicular a ella, canviava completament la seva dinàmica. Per a una orientació, la molècula es va sotmetre a moviments vibracionals amb el camp de làser, mentre que per l'altra orientació, es va produir una clara ruptura d'un enllaç C-H. Aquest és el primer experiment en aconseguir tenir una visualització directa del trencament de l'enllaç i una observació del protó durant la seva expulsió de la molècula ionitzada [C2H2] 2+, cosa que mai s'havia vist abans.
"Vam agafar un electró, el vam conduir al llarg d'una trajectòria específica amb el làser i el vam dispersar sobre una molècula aïllada per observar i registrar el seu patró de difracció", explica Biegert. "És sorprenent poder imaginar i comprendre les escales de temps i longitud de l'experiment".
Els resultats de la recerca han estat possibles gràcies a la cooperació entre científics teòrics i experimentals, físics atòmics i químics quàntics de l'ICFO i de diversos centres de recerca i de formació superior: Kansas State University, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Physikalisch Technische Bundesanstalt, Center for Free Electron Laser Science / DESY / CUI, Aarhus University, Friedrich-Schiller University Jena, Leiden University i Universität Kassel.
Segueix-nos a Twitter
