Disociación ultrarrápida de moléculas estudiada en BESSY II
Los hallazgos podrían profundizar nuestra comprensión de las reacciones químicas a nivel molecular
Por primera vez, un equipo internacional ha rastreado en BESSY II cómo las moléculas pesadas -en este caso, el bromoclorometano- se desintegran en fragmentos más pequeños cuando absorben luz de rayos X. Gracias a un método analítico de nuevo desarrollo, han podido visualizar la dinámica ultrarrápida de este proceso. En este proceso, los fotones de rayos X desencadenan un "efecto catapulta molecular": los grupos atómicos ligeros son expulsados primero, de forma similar a los proyectiles disparados desde una catapulta, mientras que los átomos más pesados -bromo y cloro- se separan más lentamente.
Los fotones de rayos X desencadenan un "efecto catapulta molecular": los grupos atómicos ligeros son expulsados primero, de forma similar a los proyectiles disparados desde una catapulta, mientras que los átomos más pesados -bromo y cloro- se separan mucho más lentamente. La imagen se imprimió en la portada de "The Journal of Physical Chemistry Letters".
© The Journal of Physical Chemistry Letters
Cuando los rayos X inciden sobre las moléculas, pueden hacer que los electrones salgan de ciertos orbitales y pasen a estados de altísima energía, rompiendo los enlaces químicos. Esto suele ocurrir con gran rapidez, en tan sólo unos pocos femtosegundos (10-15 s). Aunque este fenómeno se ha estudiado en moléculas ligeras como el amoníaco, el oxígeno, el ácido clorhídrico o compuestos simples de carbono, apenas se ha estudiado en moléculas con átomos más pesados.
Ahora, un equipo de Francia y Alemania ha estudiado la rápida desintegración de moléculas que contienen halógenos. Se centraron en una molécula en la que los átomos de bromo y cloro están unidos por un puente ligero: un grupo alquileno (CH2). Las medidas se realizaron en la línea de luz XUV de BESSY II.
La absorción de los rayos X provocó la ruptura de los enlaces moleculares, creando fragmentos iónicos que pudieron analizarse. Los científicos pudieron producir una visualización a partir de los datos de las mediciones. Muestra cómo se mueven los átomos en los fugaces estados intermedios justo antes de que se rompan los enlaces. Para ello, el equipo desarrolló un nuevo método de análisis denominado IPA (Ion Pair Average) y lo combinó con cálculos teóricos ab initio para reconstruir los procesos.
Los resultados muestran que los grupos ligeros de átomos, como el CH2, se expulsan primero, mientras que los átomos más pesados -bromo y cloro- se quedan atrás y, por tanto, se separan más lentamente. Curiosamente, este comportamiento de catapulta sólo se produce a determinadas energías de rayos X. Las simulaciones teóricas, que concuerdan con las observaciones experimentales, subrayan el papel crucial de las vibraciones de los grupos de átomos más ligeros en el desencadenamiento de estas reacciones ultrarrápidas.
"Este estudio pone de relieve la singular dinámica de la disociación molecular tras la irradiación de rayos X", afirma la Dra. Oksana Travnikova (CNRS, Université Sorbonne, Francia), primera autora del estudio que ahora se publica en J. Phys. Chem. Lett. En concreto, demuestra que el movimiento tipo catapulta de los grupos ligeros inicia la separación de los fragmentos pesados, un proceso que se desarrolla en un tiempo extraordinariamente corto. Estos hallazgos podrían profundizar nuestra comprensión de las reacciones químicas a nivel molecular y de cómo la radiación de alta energía afecta a las moléculas complejas.
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Publicación original
Oksana Travnikova, Victor Kimberg, Barbara Cunha de Miranda, Florian Trinter, Markus S. Schöffler, Stéphane Carniato, Tatiana Marchenko, Renaud Guillemin, Iyas Ismail, Gregor Kastirke, Maria Novella Piancastelli, Till Jahnke, Reinhard Dörner, Marc Simon; "X-ray-Induced Molecular Catapult: Ultrafast Dynamics Driven by Lightweight Linkages"; The Journal of Physical Chemistry Letters, Volume 15, 2024-11-21
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