Dinámica molecular en tiempo real

Un nuevo método espectroscópico permite observar los procesos ultrarrápidos en el interior de las moléculas

08.05.2024
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Un equipo europeo de investigación ha desarrollado un novedoso método espectroscópico que permite observar procesos dinámicos ultrarrápidos de electrones y vibraciones en el interior de moléculas, con resolución atómica y en tiempo real. Un equipo de la Universidad de Jena apoyó al equipo experimental de Barcelona en la descripción teórica de los procesos. Los investigadores demuestran su "espectroscopia a nivel del núcleo en attosegundos" utilizando el ejemplo de la molécula de furano y presentan su método en la revista "Nature Photonics".

Las reacciones químicas son mecanismos complejos. En ellas intervienen diversos procesos dinámicos de electrones y núcleos atómicos, que se influyen mutuamente. Muy a menudo, la dinámica de electrones y núcleos fuertemente acoplados da lugar a procesos ultrarrápidos de relajación sin radiación conocidos como intersecciones cónicas. Hasta ahora, sin embargo, estos procesos, de gran relevancia química y biológica, han sido muy difíciles de detectar experimentalmente. Esto se debe a que los movimientos de los electrones y los núcleos atómicos son difíciles de distinguir entre sí y se producen en escalas de tiempo ultrarrápidas, hasta el rango del attosegundo, es decir, una milmillonésima de milmillonésima de segundo.

En una reciente publicación en "Nature Photonics", el equipo de investigación experimental del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona y el equipo teórico dirigido por el Dr. Karl Michael Ziems y la Prof. Dra. Stefanie Gräfe, de la Universidad Friedrich Schiller de Jena, han presentado ahora una potente herramienta capaz de captar esa dinámica molecular en tiempo real. Los investigadores evaluaron su método con la dinámica de la molécula de furano en fase gaseosa. El furano es una molécula orgánica formada por carbono, hidrógeno y oxígeno, con los átomos dispuestos en una geometría pentagonal plana: un "anillo químico". El furano es un ejemplo prototípico de los compuestos de anillo químico que se encuentran en numerosos productos cotidianos como combustibles, productos farmacéuticos y agroquímicos.

Cómo se abre un anillo químico y cómo se vuelve a cerrar

El equipo logró resolver en el tiempo los detalles de la dinámica de apertura del anillo del furano, es decir, la fisión del enlace entre un átomo de carbono y el átomo de oxígeno, que rompe la estructura del anillo. Para ello, la molécula de furano se excitó primero con un rayo láser (el pulso de bombeo). Con un pulso de attosegundo posterior, más débil (la sonda), los investigadores pudieron observar los cambios en la molécula provocados por la bomba.

Tras la fotoexcitación inicial, las regiones de acoplamiento esperadas entre diferentes estados (intersecciones cónicas) pudieron localizarse en el tiempo analizando los cambios en el espectro de absorción en función del retardo entre la bomba y la sonda. La aparición y desaparición de las características de absorción proporcionan firmas de los cambios en el estado electrónico del furano.

De este modo, los investigadores pudieron demostrar por primera vez que se genera una superposición cuántica entre diferentes estados electrónicos -un paquete de ondas electrónicas- que se manifiesta en forma de los llamados latidos cuánticos. La apertura real del anillo a través de los llamados estados oscuros también pudo demostrarse con el montaje experimental. La transición de la molécula de una geometría de anillo cerrada a una abierta se refleja en un espectro de absorción modificado. Por último, la molécula volvió a su estado básico electrónico, cuya transición también se resolvió con precisión temporal.

Nueva herramienta para analizar procesos rápidos en moléculas

El equipo de autores subraya que la espectroscopia de attosegundos a nivel del núcleo no se limita a los estudios de esta molécula en particular, sino que resulta adecuada como herramienta para una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, podría utilizarse para analizar dinámicas complejas como las que se producen en la interacción entre la radiación ultravioleta y el ADN. Los investigadores también ven en la manipulación de los procesos de reacción química una de las aplicaciones más prometedoras de su trabajo.

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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