Instantánea de la molécula por explosión
Paso importante para filmar las reacciones químicas
¿Explotar un objeto fotográfico para fotografiarlo? Un equipo internacional de investigadores del mayor láser de rayos X del mundo, el XFEL europeo, utilizó este método "extremo" para fotografiar moléculas complejas. Con los destellos ultrabrillantes de rayos X generados por la instalación, los científicos pudieron tomar instantáneas de moléculas de yodopiridina en fase gaseosa con resolución atómica. En el proceso, el láser de rayos X provocó la explosión de las moléculas y la imagen se reconstruyó a partir de los trozos. "Gracias a los pulsos de rayos X extremadamente intensos y particularmente cortos del XFEL europeo, pudimos producir una imagen de una nitidez sin precedentes para este método y el tamaño de la molécula", informa Rebecca Boll, del XFEL europeo, investigadora principal del experimento y una de los dos primeros autores de la publicación en la revista científica Nature Physics, en la que el equipo describe sus resultados. Las técnicas experimentales utilizadas hasta ahora no permitían obtener imágenes tan claras de moléculas complejas.
Los científicos utilizan rayos X para provocar una violenta explosión de moléculas individuales. Del patrón de fragmentación deducen información detallada sobre la molécula y su fragmentación.
Copyright: illustratoren.de/TobiasWuestefeld in cooperation with European XFEL
Las imágenes son un paso importante hacia la grabación de películas moleculares, que los investigadores esperan utilizar en el futuro para observar detalles de reacciones bioquímicas y químicas o cambios físicos con alta resolución. Se espera que estas películas estimulen los avances en diversos campos de investigación. "El método que utilizamos es especialmente interesante para investigar procesos fotoquímicos", explica Till Jahnke, del XFEL europeo, miembro del equipo central del estudio. Este tipo de procesos, en los que las reacciones químicas son desencadenadas por la luz, son de gran importancia tanto en el laboratorio como en la naturaleza, por ejemplo en la fotosíntesis o en los procesos visuales del ojo. "El desarrollo de películas moleculares es una investigación fundamental, pero los conocimientos que se obtengan de ellas podrían ayudarnos a comprender mejor estos procesos en el futuro y a desarrollar nuevas ideas para la medicina, la producción de energía sostenible o la investigación de materiales", espera Jahnke.
En el método conocido como Coulomb Explosion Imaging, un pulso láser de rayos X ultracorto y de alta intensidad expulsa numerosos electrones de la molécula. Debido a la fuerte repulsión electrostática entre los átomos restantes, cargados positivamente, la molécula explota en unos pocos femtosegundos, una millonésima parte de un segundo. Los fragmentos individuales ionizados vuelan entonces y son registrados por un detector.
"Hasta ahora, la imagen de la explosión de Coulomb se limitaba a moléculas pequeñas de no más de cinco átomos", explica Julia Schäfer, del Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres (CFEL) del DESY, la otra primera autora del estudio. "Con nuestro trabajo, hemos roto este límite para este método". La iodopiridina (C5H4IN) está formada por once átomos.
El estudio de las imágenes de la molécula explosiva es la estación experimental SQS (Small Quantum Systems) del XFEL europeo. En un microscopio de reacción COLTRIMS (REMI), especialmente desarrollado para este tipo de investigaciones, se utilizan campos eléctricos para dirigir los fragmentos cargados hacia un detector. Se miden el lugar y el momento del impacto de los fragmentos y se pueden utilizar para reconstruir su momento -el producto de la masa y la velocidad- con el que los iones golpean el detector. "Esta información puede utilizarse para obtener detalles sobre la molécula y, con la ayuda de modelos, podemos reconstruir el curso de las reacciones y los procesos implicados", afirma el investigador del DESY Robin Santra, que dirigió la parte teórica del trabajo.
LaImagen de Explosión de Coulomb es especialmente adecuada para el seguimiento de átomos muy ligeros, como el hidrógeno, en reacciones químicas. La técnica permite realizar investigaciones detalladas de moléculas individuales en la fase gaseosa, por lo que es un método complementario para producir películas moleculares, como las que también se están desarrollando para líquidos y sólidos en otras estaciones europeas de experimentación del XFEL.
"Queremos comprender en detalle los procesos fotoquímicos fundamentales. En la fase gaseosa, no hay interferencias de otras moléculas o del entorno. Por tanto, podemos utilizar nuestra técnica para estudiar moléculas individuales y aisladas", afirma Jahnke. Boll añade: "Ya hemos dado los primeros pasos para investigar la dinámica molecular, es decir, para combinar imágenes individuales en una verdadera película molecular".
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