Danza cuántica electrónica en las moléculas

Los científicos observan la densidad de carga en movimiento en tiempo real

08.06.2022 - Alemania

Un equipo internacional de investigación dirigido por el científico del DESY Tim Laarmann ha conseguido por primera vez monitorizar la distribución de la carga de los electrones en evolución cuántica en las moléculas de glicina a través de una medición directa en tiempo real. Los resultados, obtenidos en el brillante láser de electrones libres FLASH del DESY, se publican en la revista científica Science Advances. Un mejor conocimiento de los efectos cuánticos en el movimiento de los electrones a nivel molecular puede allanar el camino hacia el control, la optimización y la ingeniería de las radiaciones ionizantes que se utilizan, por ejemplo, en la radioterapia para el tratamiento del cáncer.

"El aminoácido glicina es un componente básico abundante de las proteínas y participa en los sitios de reconocimiento de las membranas celulares y las enzimas", dice Laarmann. "Debido a su naturaleza compacta y a su tendencia a formar enlaces de hidrógeno, facilita el plegamiento de las proteínas en las reacciones biomoleculares. Por sí sola, se utiliza como neurotransmisor inhibidor en el sistema nervioso central". La glicina también se ha encontrado en el espacio y es, por tanto, una primera firma de vida extraterrestre. La reactividad molecular en los duros entornos astronómicos es un aspecto importante y, en particular, cómo interactúan las moléculas aisladas con la radiación ionizante es una cuestión clave en astroquímica.

Cuando la radiación energética incide sobre una molécula de glicina, a menudo uno de sus electrones es expulsado de la molécula. En el ion de glicina resultante, la carga electrónica comienza a redistribuirse, lo que da lugar a una oscilación de la densidad de carga dependiente del tiempo. Para ionizar la glicina, el equipo utilizó los pulsos ultracortos de FLASH, cada uno de los cuales dura menos de cinco femtosegundos, es decir, 5 cuatrillonésimas de segundo. "Con estos destellos y aplicando sofisticados algoritmos de procesamiento de datos pudimos sacar quirúrgicamente uno de los 40 electrones de la glicina de un orbital concreto", informa el primer autor, David Schwickert, del DESY, que hizo su doctorado en este proyecto.

A continuación, el científico utilizó FLASH como cámara de flash para grabar imágenes fijas del movimiento de la carga electrónica. "Por primera vez, pudimos realizar mediciones directas en tiempo real de la dinámica de los electrones en esta compleja molécula de aminoácidos, tras su ionización", explica Laarmann. Las observaciones dan como resultado una película que muestra en 175 femtosegundos la carga electrónica oscilante y cómo afecta al movimiento nuclear. Mientras que la expulsión inicial del electrón da lugar a una carga positiva en un átomo específico de la molécula, la siguiente oscilación de la carga crea un campo de fuerza que hace que los núcleos también se muevan.

Desde el punto de vista de la mecánica cuántica, el electrón saliente deja atrás el ion molecular en una supuesta superposición coherente de estados propios. Esta coherencia influye en la forma en que la molécula reacciona químicamente. La comprensión de este comportamiento cuántico puede abrir una vía para hacer que las biomoléculas actúen de la forma deseada. "Un requisito previo para cualquier control de la dinámica electrónica y nuclear hacia vías de reacción moleculares específicas es un análisis detallado de las propiedades estructurales, cuando la molécula es conducida fuera del equilibrio y aquí, en particular, el análisis y el control de la estructura electrónica dependiente del tiempo que define el paisaje de energía potencial en el que se mueven los núcleos", explica el coautor Marco Ruberti, del Imperial College de Londres, que realizó simulaciones de muchos electrones de la glicina junto con un colega de la Universidad Charles de Praga. "De acuerdo con nuestras simulaciones, los experimentos con glicina en FLASH proporcionan un apoyo directo a la existencia de una coherencia electrónica de larga duración en biomoléculas fotoionizadas".

En la investigación participaron científicos del DESY, el Imperial College de Londres, la Universidad Charles de Praga, la Universidad de Hamburgo, la Universidad de Kassel, la Universidad Helmut Schmidt de Hamburgo, el Instituto Helmholtz de Jena, el Centro Helmholtz de Investigación de Iones Pesados (GSI) de Darmstadt, la Universidad Friedrich-Schiller de Jena y el Centro Helmholtz de Berlín para Materiales y Energía.

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