Filmación de movimientos moleculares ultrarrápidos en monocristal

Un hito sorprendente desveló la reacción molecular, arrojando luz sobre la intrincada danza de los átomos y los secretos de las transformaciones químicas

27.03.2024

Comprender el comportamiento de la materia es crucial para avanzar en campos científicos como la biología, la química y la ciencia de los materiales. La cristalografía de rayos X ha desempeñado un papel decisivo en este sentido, permitiendo a los científicos determinar con precisión las estructuras moleculares. En los experimentos tradicionales de cristalografía de rayos X, un solo cristal se expone a los rayos X varias veces para obtener señales de difracción. Esto plantea un problema, ya que la muestra ve alterada o dañada su estructura por la exposición a los rayos X.

Institute for Basic Science

Esquema de un experimento de cristalografía de femtosegundos en serie resuelta en el tiempo (TR-SFX) sobre la red de coordinación porosa-224(Fe), PCN-224(Fe). Los cristales de PCN-224(Fe) se exponen a un pulso intenso de láser UV de femtosegundo para desencadenar una reacción. Los cambios estructurales ultrarrápidos de la porfirina de hierro y los cúmulos de circonio en el PCN-224(Fe) se visualizaron directamente utilizando pulsos de rayos X de la instalación de láser de electrones libres de rayos X con resolución espaciotemporal de femtosegundos (10-15 segundos) y angstrom (10-10 metros). Midiendo los patrones de difracción de rayos X producidos por los pulsos de rayos X a lo largo del tiempo, se observó la estructura molecular del PCN-224(Fe) después de la reacción.

En los últimos años, los avances tecnológicos han permitido el desarrollo de la "cristalografía en serie de femtosegundos resuelta en el tiempo" (TR-SFX). En la cristalografía en serie, un cristal se expone a los rayos X una sola vez, lo que permite medir la muestra en el mejor estado posible en el que el cristal no resulta dañado por los rayos X. Esto se combina con la popular cristalografía de femtosegundos resuelta en el tiempo. Esto se combina con la popular técnica de resolución temporal, que permite seguir en tiempo real los cambios estructurales de las moléculas en los cristales durante una reacción.

Sin embargo, hasta ahora TR-SFX sólo se ha limitado al estudio de muestras de proteínas. Si el uso de TR-SFX puede ampliarse a muestras no proteicas, se abrirán oportunidades para investigar el movimiento en tiempo real en una gama más amplia de materiales, incluidos los cruciales para semiconductores y baterías.

Por primera vez, investigadores dirigidos por el Director IHEE Hyotcherl del Centro de Dinámica de Reacción Avanzada del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) han aplicado TR-SFX a un sistema distinto de las proteínas. El material que eligieron fue una muestra denominada red de coordinación porosa-224(Fe), PCN-224(Fe), para demostrar la viabilidad de la cristalografía en serie. a nivel molecular, lo que les permite observar el movimiento molecular en tiempo real con resolución atómica. La muestra consiste en monóxido de carbono (CO) adsorbido sobre derivados de porfirina de hierro (porfirina de Fe) y clústeres de circonio (Zr) repetidos en un marco metalorgánico.

La razón por la que TR-SFX se limitaba hasta ahora a estudiar únicamente muestras de proteínas era que para evaluar las estructuras de muestras no proteicas se requieren estándares mucho más elevados. Por ello, el equipo del IBS tuvo que mejorar enormemente las especificaciones de la cristalografía para poder cumplir estos exigentes criterios. La configuración del equipo reveló la estructura cristalina en un total de 33 puntos temporales que oscilaban entre 100 femtosegundos y 3 nanosegundos (10-9 segundos). Se trata de un avance con respecto a estudios anteriores de TR-SFX de las proteínas, que normalmente informan de estructuras cristalinas en sólo unos 10 puntos temporales. Este aumento sustancial de la resolución temporal, casi tres veces mayor que en estudios anteriores sobre proteínas, permitió una representación más precisa de los cambios estructurales durante un largo periodo de tiempo.

Cuando se irradia PCN-224(Fe) con luz, el CO adsorbido en la porfirina de Fe se disocia, iniciando una cascada de cambios estructurales. Utilizando el TR-SFX mejorado, los investigadores pudieron observar estos cambios estructurales con un detalle sin precedentes: con una resolución temporal de femtosegundos de 10-15 segundos y una resolución atómica de 10-10 metros (o angstroms).

Pudieron identificar tres vías diferentes de cambio estructural: el doming, el movimiento de los átomos de hierro en las porfirinas de hierro fuera del plano de la porfirina; el modo fonónico de los átomos de circonio y hierro; y el movimiento vibratorio aleatorio con el aumento de la temperatura. Con este estudio, los investigadores han demostrado que es posible aplicar las medidas TR-SFX a sistemas químicos, lo que supone un importante paso adelante para demostrar la viabilidad de la técnica.

El estudio marca un hito importante para la comunidad científica, ya que es la primera vez que se observa el comportamiento molecular en tiempo real utilizando cristalografía en serie. Mediante el uso de TR-SFX, una técnica que proporciona una alta resolución espaciotemporal, el equipo pudo captar en tiempo real minúsculos cambios estructurales en moléculas en estado sólido.

El director Ihee, del Centro de Dinámica Avanzada de Reacciones Moleculares, declaró: "Dado que los avances técnicos y los métodos analíticos propuestos en este estudio pueden utilizarse ampliamente para observar muchas otras reacciones en fase cristalina de diversos sistemas moleculares, esta investigación no sólo abre nuevos horizontes en el campo de la investigación de estructuras moleculares, sino que también tiene infinitas aplicaciones en futuros descubrimientos científicos."

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