Determinación de la estructura de una molécula con difracción de electrones inducida por láser

11.03.2021 - España

Los microscopios de luz han revolucionado nuestra comprensión del microcosmos, pero su resolución está limitada a unos 100 nanómetros. Para ver cómo las moléculas se unen, rompen o cambian su estructura, necesitamos una resolución al menos 1000 veces mejor.

La difracción de electrones inducida por láser (LIED) es una técnica que permite localizar los átomos individuales dentro de una sola molécula y ver dónde se mueve cada átomo cuando la molécula sufre una reacción. Esta técnica ha demostrado ser una herramienta asombrosa para la obtención de imágenes de moléculas como el agua, el sulfuro de carbonilo o el disulfuro de carbono. Sin embargo, el uso de un fuerte campo láser para generar la difracción de electrones presentaba dificultades para recuperar la estructura exacta, ya que la resolución estructural dependía del conocimiento exacto del propio campo láser.

En un estudio publicado recientemente en Nature Communications, los investigadores del ICFO Aurelien Sánchez, Kasra Amini, Tobias Steinle y Xinyao Liu, dirigidos por el profesor ICREA del ICFO Jens Biegert, en colaboración con investigadores de la Universidad Estatal de Kansas, el Max-Planck-Institut für Kernphysik, el Physikalisch-Technische Bundesanstalt y la Friedrich-Schiller-Universität Jena, han presentado un método alternativo y novedoso que recupera información exacta y precisa sobre la estructura atómica sin necesidad de conocer exactamente el campo láser. Aplicaron con éxito el método a la imagen de la molécula de sulfuro de carbonilo (OCS) en fase gaseosa, en particular sobre las longitudes de los enlaces entre los átomos constituyentes, mostrando una significativa configuración doblada y asimétricamente estirada de la estructura ionizada de OCS+.

Determinación de los enlaces atómicos del sulfuro de carbonilo

En su experimento, los científicos tomaron una mezcla de gas de 1% de OCS en helio y la expandieron supersónicamente para crear un haz molecular del gas con una temperatura inferior a 90K. A continuación, tomaron un láser de 3,2 m y expusieron la molécula al fuerte campo láser. La interacción entre el láser y la molécula produjo un electrón acelerado, que se desprendió de la molécula, se aceleró en el campo del láser y volvió al ion objetivo por el campo eléctrico del láser; la recolisión del electrón con la estructura del ion generó una huella molecular de la estructura y, al extraer esta información del patrón de interferencia del electrón y del análisis del ángulo de dispersión, los científicos fueron capaces de determinar la estructura propia de la molécula.

Novedad del enfoque

Denominado ZCP-LIED, la novedad de este enfoque reside en el hecho de que los científicos idearon una forma muy inteligente de recuperar la información atómica utilizando la información completa de dispersión de electrones en 2D, principalmente los espectros de energía y ángulo de dispersión del electrón en el marco del laboratorio en lugar del marco del láser, lo que mejoró drásticamente las estadísticas de los resultados. Junto con el uso de datos 2D en lugar de información 1D, también identificaron una característica distintiva en los espectros relacionada con lo que llamaron las posiciones del punto de cruce cero (ZCP) (donde la señal de interferencia mostraba un valor nulo). Al realizar el análisis sobre estos puntos críticos, los científicos pudieron obtener, a partir de un conjunto de datos mucho más pequeño, información más precisa sobre las longitudes de los enlaces de los átomos que componen la molécula, reduciendo considerablemente el tiempo de cálculo.

Para validar su enfoque, utilizaron varios métodos, los compararon con simulaciones teóricas de química cuántica y demostraron que su técnica ZCP-LIED podía obtener distancias internucleares con una precisión mucho mayor, podía medir distancias de enlace de longitudes similares (algo bastante imposible de hacer con los métodos anteriores), que evitaba la conversión de marcos de referencia y que era capaz de determinar la estructura molecular en entornos donde el ruido de fondo podía ser considerable. Teniendo en cuenta todo esto, informaron de la obtención de la información molecular de moléculas de 10 átomos, y en particular, para el sulfuro de carbonilo, donde vieron que la molécula OCS+ tenía una estructura significativamente doblada y estirada asimétricamente, diferente a lo que estudios anteriores habían determinado para esta molécula.

Los resultados obtenidos por este estudio han demostrado que la técnica ZCP-LIED podría ser una herramienta muy potente para determinar la estructura molecular de moléculas grandes y más complejas. También podría extenderse a la difracción ultrarrápida de electrones (UED) e incluso a la difracción ultrarrápida de rayos X (UXD) para seguir la estructura geométrica de las moléculas en fase transitoria.

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