Imagínense lo que sería poder observar cómo los átomos individuales de las moléculas se reordenan durante una reacción química para formar una nueva sustancia, u observar los componentes del ADN moviéndose, reorganizándose e incluso replicándose. Tal capacidad y poder daría una visión sin precedentes para comprender y potencialmente controlar estos procesos.
La simple idea de poder ver como se rompen las moléculas, o se transforman durante las reacciones químicas, hasta ahora, había sido algo inalcanzable, ya que requiere seguir todos los átomos que constituyen una molécula, con una resolución temporal de pocos femto-segundos así como una resolución espacial subatómica. Por tanto, poder obtener imágenes «instantáneas» con una resolución espacio-temporal combinada con el fin de visualizar una reacción molecular era considerado hasta ahora una cosa únicamente de ciencia ficción. Hace exactamente 20 años, una de las ideas propuestas tomo en cuenta el uso de los propios electrones de la molécula para fotografiar su estructura: es decir, enseñarle a la molécula a hacerse un selfie! La idea era brillante, pero imposible de aplicar – hasta hoy.
En un estudio reciente, publicado en la revista Science, los científicos del grupo de investigación de Attociencia y Óptica Ultra-rápida del ICFO – Instituto de Ciencias Fotónicas, en colaboración con investigadores de los EE.UU., los Países Bajos, Dinamarca y Alemania, han informado sobre la obtención de imágenes de la rotura de un enlace molecular de acetileno (C2H2) nueve femtosegundos ( 1 femtosegundo = 1 millonésima de una billonésima parte de un segundo) después de su ionización. El equipo ha logrado 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 – y con una resolución temporal de 0,6 femtosegundos. Incluso, fueron capaces de desencadenar la rotura de un solo enlace de la molécula y ver cómo un protón era expulsado de la misma.
«Nuestro método ha conseguido finalmente la resolución espacial temporal necesaria para poder tomar imágenes instantáneas de la dinámica molecular sin perder ninguno de sus eventos, y estamos ansiosos por probarlo en otros sistemas moleculares como catalizadores químicos y sistemas bio-relevantes», ha comentado Jens Biegert , profesor ICREA en el ICFO y líder de la investigación.
Enseñar a una molécula a hacerse un selfie
El equipo fabricó una fuente de láser ultrarrápido en el infrarrojo medio, con tecnología puntera en el mundo, 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 sola molécula aislada de acetileno en el espacio con la ayuda de un láser de pulso corto. Luego, se utilizó un pulso 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 su la molécula ionizada de origen, todo ello ocurriendo en sólo 9 femtosegundos.
Benjamin Walter explicó, «la trayectoria de vuelo y la energía cinética de los fragmentos de colisión se registraron con el microscopio de reacción similar a como se realiza en un gran experimento de física de partículas.»
Luego 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 movimiento vibracional con el campo de láser, mientras que para la otra orientación, se produjo una clara rotura de un enlace C-H. Este es el primer experimento en lograr tener una visualización directa de la rotura del enlace y una observación del protón durante su expulsión de la molécula ionizada [C2H2]2+, algo que nunca se había visto antes.
«Tomamos un electrón, lo condujimos a lo largo de una trayectoria específica con el láser y lo dispersamos sobre una molécula aislada para observar y registrar su patrón de difracción», dijo Biegert, «es sorprendente poder imaginar y comprender las escalas de tiempo y longitud del experimento. La magnífica cooperación entre científicos teóricos y experimentales, físicos atómicos y químicos cuánticos del ICFO, de 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, y Universität Kassel permitió lograr esta gran hazaña».
Figura: Ilustración esquemática de la ruptura del enlace molecular en acetileno (C2H2). Imagen crédito: ICFO / Scixel.
