Instantánea de la explosión de oxígeno
La nueva técnica experimental con el microscopio de reacción permite la "radiografía" de las moléculas individuales
Durante más de 200 años, hemos estado usando los rayos X para mirar dentro de la materia, y progresando hacia estructuras cada vez más pequeñas - desde cristales hasta nanopartículas. Ahora, en el marco de una colaboración internacional más amplia sobre el láser de rayos X XFEL europeo en Schenefeld, cerca de Hamburgo, los físicos de la Universidad de Goethe han logrado un salto cualitativo: mediante una nueva técnica experimental, han podido "radiografiar" moléculas como el oxígeno y ver su movimiento en el microcosmos por primera vez.
Durante la explosión de una molécula de oxígeno: el láser de rayos X XFEL golpea los electrones de los dos átomos de la molécula de oxígeno e inicia su ruptura. Durante la fragmentación, el láser de rayos X libera otro electrón de una capa interna de uno de los dos átomos de oxígeno que ahora están cargados (iones). El electrón tiene características de partícula y de onda, y las ondas son dispersadas por el otro ión de oxígeno. El patrón de difracción se utiliza para tomar imágenes de la ruptura de las moléculas de oxígeno y para tomar instantáneas del proceso de fragmentación (imágenes de difracción de electrones).
Till Jahnke, Goethe University Frankfurt
"Cuanto más pequeña es la partícula, más grande es el martillo". Esta regla de la física de partículas, que mira dentro del interior de los núcleos atómicos utilizando aceleradores gigantes, también se aplica a esta investigación. Para "radiografiar" una molécula de dos átomos como el oxígeno, se requiere un pulso de rayos X extremadamente poderoso y ultracorto. Este fue proporcionado por el XFEL europeo que comenzó sus operaciones en 2017 y es una de las fuentes de rayos X más fuertes del mundo
Para exponer las moléculas individuales, también se necesita una nueva técnica de rayos X: con la ayuda del extremadamente poderoso pulso de láser, la molécula es rápidamente despojada de dos electrones firmemente unidos. Esto lleva a la creación de dos iones cargados positivamente que se separan abruptamente debido a la repulsión eléctrica. Simultáneamente, el hecho de que los electrones también se comportan como ondas se aprovecha. "Se puede pensar en ello como un sonar", explica el director del proyecto, el profesor Till Jahnke del Instituto de Física Nuclear. "La onda de electrones es dispersada por la estructura molecular durante la explosión, y registramos el patrón de difracción resultante. Por lo tanto, fuimos capaces de esencialmente rayos X de la molécula desde el interior, y observarla en varios pasos durante su ruptura".
Para esta técnica, conocida como "imágenes por difracción de electrones", los físicos del Instituto de Física Nuclear dedicaron varios años a seguir desarrollando la técnica COLTRIMS, que se concibió allí (y que a menudo se denomina "microscopio de reacción"). Bajo la supervisión del Dr. Markus Schöffler, se modificó previamente un aparato correspondiente a los requisitos del XFEL europeo, y se diseñó y realizó en el curso de una tesis doctoral de Gregor Kastirke. No es una tarea sencilla, como observa Till Jahnke: "Si tuviera que diseñar una nave espacial para poder volar con seguridad a la Luna y volver, definitivamente querría a Gregor en mi equipo. Estoy muy impresionado por lo que logró aquí".
El resultado, que se publicó en el número actual de la Revista Física X, proporciona las primeras pruebas de que este método experimental funciona. En el futuro, las reacciones fotoquímicas de las moléculas individuales podrán ser estudiadas usando estas imágenes con su alta resolución temporal. Por ejemplo, debería ser posible observar la reacción de una molécula de tamaño medio a los rayos UV en tiempo real. Además, estos son los primeros resultados de las mediciones que se publicarán desde el inicio de las operaciones de la estación experimental de los Pequeños Sistemas Cuánticos (SQS) en el XFEL europeo a finales de 2018.
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