El primer experimento con rayos X de attosegundos en líquidos permite comprender mejor las propiedades moleculares del agua

Los teóricos explican cómo la medición de rayos X congela el movimiento del hidrógeno, con implicaciones en otras áreas de la química

19.02.2024
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Un equipo internacional ha realizado por primera vez un experimento a escala de attosegundos con un láser de electrones libres de rayos X en agua líquida, y los resultados pueden cambiar nuestra interpretación del comportamiento del agua. El equipo del experimento, dirigido por la científica Linda Young, del Laboratorio Nacional de Argonne (EE.UU.), descubrió una señal inusual al examinar agua líquida mediante destellos de rayos X cronometrados a unos cientos de attosegundos (un attosegundo es la milmillonésima parte de la milmillonésima parte de un segundo). Un equipo teórico dirigido por Robin Santra, científico principal del centro de investigación DESY y profesor de la Universidad de Hamburgo (Alemania), y Xiaosong Li, catedrático de la Universidad de Washington (EE.UU.), utilizó técnicas de mecánica cuántica para el análisis. Basándose en los datos del nuevo experimento, descubrieron que una medición de la estructura del agua líquida realizada hace mucho tiempo había sido malinterpretada. Los efectos de este hallazgo no sólo demuestran el potencial de la investigación de attosegundos en materia condensada con láseres de rayos X, que hasta ahora no tiene precedentes, sino que también puede obligar a replantearse cómo se estructuran una amplia gama de moléculas además del agua, especialmente las orgánicas. Los resultados se publican en la revista Science.

Las moléculas de agua son especiales en muchos aspectos: su forma y la distribución de sus electrones hacen que cada molécula de H2Otenga dos polos eléctricos. Esta polaridad permite al agua atraer eléctricamente a otras moléculas de agua y a otras moléculas de polaridad similar. Esta atracción, denominada "enlace de hidrógeno", y la estructura entre las moléculas que forman los enlaces de hidrógeno son vitales para comprender el comportamiento único del agua y cómo reacciona químicamente, incluso en procesos esenciales para la vida. Los científicos pueden controlar esta estructuración mediante la espectroscopia de emisión de rayos X (XES). El método XES consiste en exponer una molécula a rayos X y liberar rayos X propios que transmiten información sobre el movimiento de la molécula y sus enlaces químicos.

Paralelamente, los científicos han desarrollado técnicas que utilizan láseres para estudiar fenómenos que van más allá de la capacidad de la XES, un campo denominado ciencia de attosegundos, por el que en 2023 se concedió el Premio Nobel de Física. El equipo experimental dirigido por Linda Young, que utilizó el láser de rayos X LCLS del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC (EE.UU.), logró utilizar pares de pulsos de rayos X de attosegundos, con los pulsos dentro del par temporizados con unos cientos de attosegundos de diferencia entre sí, para encontrar una señal en conflicto con los datos de XES, que se han interpretado como muestra de dos motivos estructurales en el agua. Por primera vez se utilizaron pulsos láser de rayos X de attosegundos para investigar la materia no gaseosa.

Para explicar su extraño resultado, el equipo de Young recurrió a físicos teóricos capaces de calcular y modelizar lo sucedido. Santra, jefe del grupo de teoría del Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres (CFEL) del DESY, consideró una hipótesis de la comunidad teórica que los átomos de hidrógeno del agua podrían ser el factor decisivo. "Cuando los rayos X atraviesan el agua, los átomos de hidrógeno, que son muy ligeros, pueden empezar a moverse", explica Santra. "Ese movimiento podría ser lo que se captó en la medición XES, en lugar de detectarse dos estructuras diferentes".

El equipo de Santra elaboró un modelo para examinar cómo progresaba el experimento a nivel de los electrones. A diferencia de las mediciones XES, en las que los rayos X eliminaban un electrón interno de baja energía y un electrón externo de mayor energía lo sustituía, provocando el desplazamiento de los átomos de hidrógeno, el experimento LCLS conducía exactamente a lo contrario: provocaba el desplazamiento de un electrón interno hacia el exterior. El modelo teórico del equipo de Santra demostró que esta diferencia impedía que el hidrógeno se moviera, además de que el tiempo del attosegundo era más rápido que cualquier movimiento del hidrógeno. "En efecto, esto funcionaba como un interruptor para 'apagar' el movimiento del átomo de hidrógeno", afirma Swarnendu Bhattacharyya, uno de los primeros autores del trabajo y postdoctorando en el grupo de Santra.

"En principio, no podemos descartar dos estructuras. Sin embargo, no se corresponden con las dos características observadas en la medición XES", afirma Santra. "El movimiento de los átomos de hidrógeno en la molécula de agua genera este efecto". Además, si tal efecto proporciona un resultado en las mediciones XES que invita al error, podría significar que esta herramienta fundamental para observar la estructura de las moléculas, podría necesitar ser reevaluada. Esto sería especialmente importante para la comprensión futura de las moléculas ricas en hidrógeno, entre las que se incluyen, de manera crucial, los hidrocarburos, que comprenden casi todas las moléculas que se encuentran en los seres vivos, casi todos los combustibles que utilizamos y los productos químicos vitales para la industria y la vida cotidiana.

"Este experimento abre la puerta a la ciencia del láser de rayos X de attosegundos", afirma Santra. Hasta ahora, la mayor parte de la ciencia de attosegundos se realizaba con láseres ópticos sobre muestras de gas. "Utilizando técnicas de ciencia de attosegundos con láseres ópticos, este resultado no habría sido posible. Ahora este equipo ha mostrado una forma de adaptar las técnicas de attosegundos a la materia condensada con una luz mucho más brillante, y ya ha revelado algo potencialmente significativo sobre nuestra comprensión de la materia: que con las medidas XES puede que no estemos obteniendo la imagen completa de la materia tal y como existe en la naturaleza."

La experiencia y las técnicas del DESY han sido cruciales para este resultado y constituyen una piedra angular del futuro Centro para la Ciencia Molecular del Agua (CMWS) que el DESY está creando. Los equipos experimentales y teóricos que han contribuido a este resultado están formados por científicos del Laboratorio Nacional Argonne, la Universidad de Washington, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, la Universidad Estatal de Washington, la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, todos ellos de Estados Unidos; y del DESY, la Universidad de Hamburgo y el Cluster de Excelencia de Hamburgo "CUI: Advanced Imaging of Matter", todos ellos en Alemania.

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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