Consiguen observar el movimiento ultrarrápido de los electrones en una reacción química en tiempo real

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Cuando se produce una reacción química, el personal investigador suele saber qué tenía al principio del experimento y qué obtuvo al final, pero a veces se desconoce qué sucedía exactamente en medio del experimento, algo que es clave para comprender las reacciones químicas. Ahora, un equipo internacional liderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) ha logrado obtener información detallada sobre una reacción fotoinducida en átomos específicos de una molécula con una velocidad sin precedentes.

Los equipos de trabajo emplearon la técnica consolidada de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), ampliamente utilizada en la ciencia de los materiales. "Se trata de un método potente que proporciona información directa y específica de cada elemento sobre el entorno químico local que rodea a un átomo concreto dentro de una molécula o material», explica Antonio Picón, autor principal del estudio e investigador en el ICMM-CSIC. Sin embargo, hasta ahora, la XPS se ha limitado a mediciones estáticas. Al aprovechar las nuevas capacidades de los láseres de electrones libres de rayos X (XFEL), los investigadores ahora pueden extender esta técnica al dominio del tiempo (conocido como XPS resuelto en el tiempo o tr-XPS), mientras se produce la reacción. "Gracias a estas nuevas fuentes de rayos X, que generan destellos de luz extremadamente cortos, incluso podemos observar cómo se forman y se rompen los enlaces químicos a medida que ocurren", agrega el investigador.

El estudio, recién publicado en Physical Review X, se llevó a cabo en las instalaciones europeas XFEL de Hamburgo. Allí, los investigadores trabajaron con fluorometano, una molécula poliatómica, excitada mediante un pulso láser en el infrarrojo cercano de tan solo unos femtosegundos, una unidad de tiempo increíblemente corta, equivalente a una cuatrillónésima (10⁻¹⁵) de segundo, o una millonésima de una milmillonésima de segundo.

Mientras se desarrolla la dinámica inducida por la luz, un pulso láser de rayos X, también de tan solo unos femtosegundos de duración, llega a la molécula con un retardo controlado con precisión (también de femtosegundos). Este control de tiempo permite a los investigadores analizar el entorno químico mediante XPS en el átomo de flúor o carbono a medida que el sistema evoluciona, capturando eficazmente los cambios transitorios durante la dinámica. “Este estudio fue uno de los primeros experimentos de resolución temporal que demuestra que el instrumento Small Quantum Systems (SQS) del XFEL europeo puede proporcionar información detallada sobre la dinámica transitoria durante una reacción química”, señala Michael Meyer, científico principal y líder del grupo en el XFEL europeo.

“Gracias a este esquema increíblemente ultrarrápido, pudimos medir las reacciones químicas en tiempo real”, añade Picón. “Nuestro objetivo no era solo rastrear la dinámica inducida, sino también comprender los cambios dependientes del tiempo en las líneas espectrales medidas”, continúa el investigador. Explica que lograron esto gracias a sus avances teóricos: “Demostramos que los resultados experimentales de alta resolución obtenidos se describen mediante una extensión del modelo de cargas parciales (PC), un modelo teórico muy conocido en experimentos de XPS estático, al régimen ultrarrápido”.

Picón explica lo que esto significa: “La teoría nos permite interpretar los datos experimentales y evitar costosos cálculos para calcular los cambios espectrales”. Ahora, los investigadores están convencidos de que la aplicación del modelo PC “resulta muy prometedora para extender la tr-XPS a la investigación de sistemas de mayor complejidad”, añade Dooshaye Moonshiram, también investigador del ICMM-CSIC y parte del estudio. “De esta manera, lo utilizaremos en aplicaciones más prácticas, como el diseño de moléculas catalíticas para aplicaciones energéticas”.

Los equipos de investigación ya están desarrollando un proyecto de seguimiento. Antonio Picón lidera actualmente cuatro iniciativas XFEL que incluyen experimentos no solo en el XFEL europeo, sino también en SwissFEL y en la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS). Picón explica que también colabora con numerosos grupos internacionales en experimentos adicionales, forma parte de paneles científicos para la ciencia XFEL y está entusiasmado con las crecientes oportunidades que estas nuevas fuentes de rayos X ofrecen para estudiar la materia de maneras que antes eran inalcanzables.

Referencia:
Daniel E. Rivas, Lorenzo Paoloni, Rebecca Boll, Alberto De Fanis, Ana Martínez Gutiérrez,Tommaso Mazza, Solène Oberli, Oliver Alexander, André Al-Haddad, Thomas M. Baumann, Christoph Bostedt, Simon Dold, Gianluca Geloni, Markus Ilchen, Dooshaye Moonshiram, Daniel Rolles, Artem Rudenko, Philipp Schmidt, Svitozar Serkez, Sergey Usenko, Ángel Martín Pendás, Michael Meyer, Jesús González-Vázquez, Antonio Picón. Unraveling real-time chemical shifts in the ultrafast regime. Physical Review X. DOI: https://doi.org/10.1103/y6dt-1sfw