Atrapado en el acto: Las imágenes capturan los movimientos moleculares en tiempo real

15.07.2019

Brown University / SLAC

Los investigadores visualizaron movimientos sutiles de una molécula conocida como N-metilo morfolina cuando era excitada por la luz UV.

Los investigadores han utilizado pulsos de rayos X de muy alta velocidad para hacer una"película" de alta resolución de una molécula sometida a movimientos estructurales. La investigación, publicada en Nature Chemistry, revela la dinámica de los procesos con un detalle sin precedentes, capturando la excitación de un solo electrón en la molécula.

La capacidad de ver los movimientos moleculares en tiempo real ofrece una visión de los procesos de dinámica química que eran impensables hace apenas unas décadas, dicen los investigadores, y que en última instancia pueden ayudar a optimizar las reacciones y diseñar nuevos tipos de química.

"Durante muchos años, los químicos han aprendido acerca de las reacciones químicas estudiando esencialmente las moléculas presentes antes y después de que una reacción ha ocurrido", dijo Brian Stankus, un reciente doctorado de la Universidad de Brown y co-autor principal en el artículo. "Era imposible observar realmente la química como sucede porque la mayoría de las transformaciones moleculares ocurren muy rápidamente. Pero fuentes de luz ultrarrápidas como la que usamos en este experimento nos han permitido medir los movimientos moleculares en tiempo real, y esta es la primera vez que este tipo de efectos sutiles se han visto con tanta claridad en una molécula orgánica de este tamaño".

El trabajo es una colaboración entre químicos de Brown, científicos del SLAC National Accelerator Laboratory y químicos teóricos de la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido. El equipo fue dirigido por Peter Weber, profesor de química de Brown.

Para el estudio, los investigadores observaron los movimientos moleculares que ocurren cuando la molécula orgánica N-metilo morfolina es excitada por pulsos de luz ultravioleta. Se utilizaron pulsos de rayos X de la Fuente de Luz Coherente (LCLS) de SLAC para tomar instantáneas en diferentes etapas de la respuesta dinámica de la molécula.

"Básicamente, golpeamos las moléculas con luz ultravioleta, lo que inicia la respuesta, y luego, fracciones de segundo después, tomamos una "imagen" -en realidad, capturamos un patrón de dispersión- con un pulso de rayos X", aseguró Stankus. "Repetimos esto una y otra vez, con diferentes intervalos entre el pulso UV y el pulso de rayos X para crear una serie de tiempo."

Los rayos X se dispersan en patrones particulares dependiendo de la estructura de las moléculas. Estos patrones se analizan y se utilizan para reconstruir la forma de la molécula a medida que se desarrollan los movimientos moleculares. Ese análisis de patrones fue dirigido por Haiwang Yong, estudiante de posgrado de Brown y coautor del estudio.

El experimento reveló una reacción extremadamente sutil en la que sólo un solo electrón se excita, causando un patrón distinto de vibraciones moleculares. Los investigadores pudieron visualizar tanto la excitación de los electrones como la vibración atómica con gran detalle.

"Este trabajo es un verdadero hito porque, por primera vez, pudimos medir con gran claridad la estructura de una molécula en estado excitado y con resolución temporal", dijo Weber, el autor correspondiente del estudio.

"Hacer este tipo de mediciones casi sin ruido, tanto en energía como en tiempo, no es una hazaña pequeña", dijo Mike Minitti, científico principal del personal del SLAC y coautor del estudio. "En los últimos siete años, nuestra colaboración ha aprendido mucho sobre la mejor manera de utilizar los diversos diagnósticos LCLS para medir con precisión las pequeñas fluctuaciones en las intensidades de los rayos X y, en mayor medida, seguir los cambios en la escala de tiempo del femtosegundo en los que evolucionan las moléculas. Todo esto ha informado el desarrollo de rutinas de análisis de datos personalizadas que prácticamente eliminan las señales molestas y no deseadas de nuestros datos. Estos resultados demuestran la fidelidad que podemos lograr".

Un aspecto particularmente interesante de la reacción, dicen los investigadores, es que es coherente, es decir, cuando grupos de estas moléculas interactúan con la luz, sus átomos vibran en concierto entre sí.

"Si podemos usar experimentos como éste para estudiar cómo se puede usar exactamente la luz para dirigir el movimiento colectivo de miles de millones de moléculas, podemos diseñar sistemas que se puedan controlar de manera coherente", dijo Stankus. "En pocas palabras: Si entendemos exactamente cómo la luz dirige los movimientos moleculares, podemos diseñar nuevos sistemas y controlarlos para hacer química útil."

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.

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