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Conocido como 'Selfie Molecular', el estudio se ha publicado el 21/10 en 'Science'
Un estudio del ICFO revela la rotura de enlaces químicos y capta cómo un protón se escapa de una molécula
Un equipo de científicos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) —instituto universitario de investigación adscrito a la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)— ha conseguido monitorizar directamente la localización de todos los átomos de una moléculta entera, observando a la vez cómo uno de los enlaces químicos se rompe y deja escapar un protón.
21/10/2016
Imagínense poder observar cómo los átomos individuales de las moléculas se reordenan durante una reacción química para formar una nueva substancia, u observar a los componentes del ADN moviéndose, reorganizándose e incluso replicándose. Esta capacidad podría ofrecer una visión sin precedentes para comprender y, potencialmente, controlar estos procesos.
La simple idea de poder ver cómo se rompen las moléculas o cómo se transforman durante las reacciones químicas ha sido, hasta ahora, algo inabarcable, ya que, para conseguirlo, se debe seguir a todos los átomos que constituyen una molécula, haciéndolo con una resolución temporal de pocos femtosegundos y con una resolución espacial subatómica. Por tanto, poder obtener imágenes "instantáneas" con una resolución espacio-temporal combinada que permita visualizar una reacción molecular era considerado prácticamente de ciencia ficción. Pero hace exactamente 20 años, una de las ideas propuestas considero el uso de los propios electrones de la molécula a hacerse un selfie! La idea era brillante, pero imposible de ser aplicada hasta la actualidad.
En un estudio reciente, publicado el 21 de octubre en la revista Science, los investigadores del grupo de investigación de Attociencia y Óptica Ultra-rápida del ICFO en colaboración con investigadores de los Estados Unidos, los Países Bajos, Dinamarca y Alemania, han informado sobre la obtención de imágenes instantáneas de la rotura de un enlace molecular de acetileno (C2H2) en 9 femtosegundos (1 femtosegundo = 1 millonésima de una billonésima parte de un segundo) después de su ionización. El equipo ha conseguido realizar un seguimiento de los átomos individuales de una molécula aislada de acetileno con una resolución espacial de hasta 0,05 Ångström —una resolución más pequeña que el ancho de un átomo individual—, así como con una resolución temporal de 0,6 femtosegundos. Han sido incluso capaces de desencadenar la rotura de un solo enlace de la molécula y ver cómo un protón era expulsado de la molécula.
"Nuestro método ha conseguido finalmente la resolución espacio temporal necesaria para poder tomar imágenes instantáneas de la dinámica molecular sin perder ninguno de sus acontecimientos, y estamos ansiosos por probarlo en otros sistemas moleculares como catalizadores
químicos o sistemas bio-relevantes", ha explicado Jens Biegert, profesor de la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA) en el ICFO y líder de la investigación.
Enseñar a una molécula a hacerse un selfieEl equipo fabricó una fuente de láser ultra-rápida en el infrarrojo medio, con tecnología puntera, y lo combinó con un microscopio de reacción para detectar los momentos de distribución en 3D de electrones e iones en plena coincidencia cinemática. Se orientó una única molécula aislada de acetileno al espacio con la ayuda de un láser de polo corto. Después, se utilizó un polo infrarrojo lo suficientemente fuerte para liberar un electrón de la molécula, se aceleró este electrón con una trayectoria de retorno y se le obligó a dispersarse sobre la molécula ionizada de origen. Todas estas acciones pasaron en sólo 9 femtosegundos.
Benjamin Walter afirma que "la trayectoria de vuelo y la energía cinética de los fragmentos de colisión se registraron con el microscopio de reacción, tal y como se hace en un gran experimento de física de partículas".
Después de un meticuloso e ingenioso procesamiento de datos, el equipo fue capaz de extraer toda la estructura molecular y demostrar que la orientación de la molécula a lo largo del campo eléctrico del láser, o perpendicular a ella, cambiaba completamente su dinámica. Para una orientación, la molécula se sometió a movimientos vibracionales con el campo de láser, mientras que para la otra orientación, se produjo una clara ruptura de un enlace C-H. Este es el primer experimento que consigue tener una visualización directa de la rotura del enlace y una observación del protón durante su expulsión de la molécula ionizada [C2H2] 2+, cosa que nunca se había visto antes.
"Cogimos un electrón, lo condujimos a lo largo de una trayectoria específica con el láser y lo dispensamos sobre una molécula aislada para observar y registrar su patrón de difracción", explica Biegert. "Es sorprendente poder imaginar y comprender las escalas de tiempos y longitud del experimento".
Los resultados de la investigación han sido posibles gracias a la cooperación entre científicos teóricos y experimentales, físicos atómicos y químicos cuánticos del ICFO y de diversos centros de investigación y de formación superior: Kansas State University, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Physikalisch Technische Bundesanstalt, Center for Free Electron Laser Science / DESY / CUI, Aarhus University, Friendrich-Schiller University Jena, Leiden University y Universität Kassel.
La simple idea de poder ver cómo se rompen las moléculas o cómo se transforman durante las reacciones químicas ha sido, hasta ahora, algo inabarcable, ya que, para conseguirlo, se debe seguir a todos los átomos que constituyen una molécula, haciéndolo con una resolución temporal de pocos femtosegundos y con una resolución espacial subatómica. Por tanto, poder obtener imágenes "instantáneas" con una resolución espacio-temporal combinada que permita visualizar una reacción molecular era considerado prácticamente de ciencia ficción. Pero hace exactamente 20 años, una de las ideas propuestas considero el uso de los propios electrones de la molécula a hacerse un selfie! La idea era brillante, pero imposible de ser aplicada hasta la actualidad.
En un estudio reciente, publicado el 21 de octubre en la revista Science, los investigadores del grupo de investigación de Attociencia y Óptica Ultra-rápida del ICFO en colaboración con investigadores de los Estados Unidos, los Países Bajos, Dinamarca y Alemania, han informado sobre la obtención de imágenes instantáneas de la rotura de un enlace molecular de acetileno (C2H2) en 9 femtosegundos (1 femtosegundo = 1 millonésima de una billonésima parte de un segundo) después de su ionización. El equipo ha conseguido realizar un seguimiento de los átomos individuales de una molécula aislada de acetileno con una resolución espacial de hasta 0,05 Ångström —una resolución más pequeña que el ancho de un átomo individual—, así como con una resolución temporal de 0,6 femtosegundos. Han sido incluso capaces de desencadenar la rotura de un solo enlace de la molécula y ver cómo un protón era expulsado de la molécula.
"Nuestro método ha conseguido finalmente la resolución espacio temporal necesaria para poder tomar imágenes instantáneas de la dinámica molecular sin perder ninguno de sus acontecimientos, y estamos ansiosos por probarlo en otros sistemas moleculares como catalizadores
químicos o sistemas bio-relevantes", ha explicado Jens Biegert, profesor de la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA) en el ICFO y líder de la investigación. Enseñar a una molécula a hacerse un selfie
Benjamin Walter afirma que "la trayectoria de vuelo y la energía cinética de los fragmentos de colisión se registraron con el microscopio de reacción, tal y como se hace en un gran experimento de física de partículas".
Después de un meticuloso e ingenioso procesamiento de datos, el equipo fue capaz de extraer toda la estructura molecular y demostrar que la orientación de la molécula a lo largo del campo eléctrico del láser, o perpendicular a ella, cambiaba completamente su dinámica. Para una orientación, la molécula se sometió a movimientos vibracionales con el campo de láser, mientras que para la otra orientación, se produjo una clara ruptura de un enlace C-H. Este es el primer experimento que consigue tener una visualización directa de la rotura del enlace y una observación del protón durante su expulsión de la molécula ionizada [C2H2] 2+, cosa que nunca se había visto antes.
"Cogimos un electrón, lo condujimos a lo largo de una trayectoria específica con el láser y lo dispensamos sobre una molécula aislada para observar y registrar su patrón de difracción", explica Biegert. "Es sorprendente poder imaginar y comprender las escalas de tiempos y longitud del experimento".
Los resultados de la investigación han sido posibles gracias a la cooperación entre científicos teóricos y experimentales, físicos atómicos y químicos cuánticos del ICFO y de diversos centros de investigación y de formación superior: Kansas State University, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Physikalisch Technische Bundesanstalt, Center for Free Electron Laser Science / DESY / CUI, Aarhus University, Friendrich-Schiller University Jena, Leiden University y Universität Kassel.
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