¿Qué sucede cuando se explota un enlace químico?

La técnica láser de Attosecond produce películas de disociación de enlaces químicos

15.07.2019

Yuki Kobayashi, UC Berkeley

Los científicos de UC Berkeley están investigando los pasos fugaces en reacciones fotoquímicas rápidas con algunos de los pulsos láser más cortos posibles en la actualidad. En este caso, un pulso de femtosegundo de luz visible (verde) desencadena la ruptura de las moléculas de monobromuro de yodo (centro), mientras que los pulsos láser XUV de attosegundo (azul) toman instantáneas de las moléculas. Esto les permite hacer una película de la evolución de los estados electrónicos (luces amarillas alrededor de las moléculas) antes de que las moléculas se separen.

La luz ultravioleta rompe los enlaces entre los átomos en el ADN de nuestras células de la piel, causando potencialmente cáncer. La luz UV también rompe los enlaces de oxígeno, creando eventualmente ozono, y separa el hidrógeno de otras moléculas para dejar atrás los radicales libres que pueden dañar el tejido.

Los químicos de la Universidad de California, Berkeley, que utilizan algunos de los pulsos láser más cortos disponibles, una quintillonésima parte de un segundo, han podido ahora resolver el proceso paso a paso que lleva a la explosión de un enlace químico, esencialmente haciendo una película del evento. Pueden seguir a los electrones rebotando indecisivamente en varios estados de la molécula antes de que se rompa el enlace y los átomos sigan sus caminos separados.

La técnica, publicada en la revista Science, ayudará a los químicos a comprender y potencialmente manipular las reacciones químicas estimuladas por la luz, las llamadas reacciones fotoquímicas. Los químicos y biólogos, en particular, están interesados en comprender cómo las grandes moléculas logran absorber la energía de la luz sin romper ningún vínculo, como sucede cuando las moléculas en el ojo absorben la luz, dándonos visión, o las moléculas en las plantas absorben la luz para la fotosíntesis.

"Piense en una molécula, la rodopsina, en el ojo", dijo el primer autor Yuki Kobayashi, estudiante de doctorado de la UC Berkeley. "Cuando la luz golpea la retina, la rodopopsina absorbe la luz visible, y podemos ver las cosas porque la unión de la rodopopsina cambia."

De hecho, cuando la energía de la luz es absorbida, un enlace en la rodopsina se retuerce, en lugar de romperse, provocando otras reacciones que resultan en la percepción de la luz. La técnica que Kobayashi y sus colegas de la Universidad de California en Berkeley, los profesores Stephen Leone y Daniel Neumark, desarrollaron, podría ser usada para estudiar en detalle cómo esta absorción de luz lleva a la torsión después de que la molécula pasa a través de un estado excitado llamado cruce evitado o intersección cónica.

Para evitar la ruptura de un vínculo en el ADN, "se quiere redirigir la energía de la disociación a sólo ser vibracionalmente caliente. Para la rodopsina, uno quiere redirigir la energía de la vibración a una isomerización cis-trans, un giro", dijo Kobayashi. "Estas redirecciones de reacciones químicas están ocurriendo ubicuamente a nuestro alrededor, pero no hemos visto el momento real de ellas antes."

Pulsos láser rápidos

Los láseres de Attosecond -- un attosecond es la milmillonésima parte de una milmillonésima parte de un segundo -- han existido por cerca de una década y son usados por los científicos para investigar reacciones muy rápidas. Dado que la mayoría de las reacciones químicas ocurren rápidamente, estos láseres de pulso rápido son clave para"ver" cómo se comportan los electrones que forman el enlace químico cuando el enlace se rompe y/o se reforma.

Leone, profesor de química y física, es un experimentalista que también utiliza herramientas teóricas y es pionero en el uso de láseres de attosegundo para sondear reacciones químicas. Tiene seis de estos rayos X y rayos ultravioleta extremos (colectivamente, XUV) en su laboratorio de UC Berkeley.

Trabajando con una de las moléculas más simples, el monobromuro de yodo (IBr), que es un átomo de yodo ligado a un átomo de bromo, el equipo de la UC Berkeley golpeó a las moléculas con un pulso de 8 femtosegundos de luz visible para excitar uno de sus electrones más externos, y luego las sondeó con pulsos de láser de attosegundos.

Pulsando el láser XUV de attosegundo a intervalos de 1.5 femtosegundos (un femtosegundo es 1,000 attosegundos), de manera muy parecida al uso de una luz estroboscópica, los investigadores pudieron detectar los pasos que conducen a la ruptura de las moléculas. El láser XUV de alta energía fue capaz de explorar los estados de energía excitados en relación con los electrones internos de la molécula, que normalmente no participan en reacciones químicas.

"Se está haciendo una especie de película de los caminos del electrón cuando se acerca al cruce y la probabilidad de que vaya por un camino o por otro", dijo Leone. "Estas herramientas que estamos desarrollando le permiten observar sólidos, gases y líquidos, pero necesita las escalas de tiempo más cortas (proporcionadas por un láser de attosegundo). De lo contrario, sólo verás el principio y el final, y no sabrás qué más pasó entre medias".

El experimento mostró claramente que los electrones externos de IBr, una vez excitados, ven de repente una variedad de estados o lugares en los que podrían estar y exploran muchos de ellos antes de decidir qué camino tomar. En esta simple molécula, sin embargo, todos los caminos conducen a que el electrón se asiente sobre el yodo o el bromo y los dos átomos se separan.

En moléculas más grandes, que el equipo espera explorar pronto, los electrones excitados tendrían más opciones, algunas en las que la energía entra en un giro, como con la rodopsina, o en la vibración molecular sin que las moléculas se rompan.

"En biología, resulta que la evolución ha seleccionado cosas que son extremadamente efectivas para absorber la energía y no romper un vínculo", dijo Leone. "Cuando algo va mal en tu química es cuando ves que surgen enfermedades."

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

University of California - UC Berkeley

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