Los investigadores observan cómo se desarrolla la reacción química átomo a átomo

El equipo investigó la 3-fluoropiridina, una pequeña molécula con forma de anillo. Cuando la molécula absorbe luz, como un pulso corto de un láser ultravioleta, pasa a un estado electrónicamente excitado y se deforma rápidamente, alejándose de su forma plana original. A continuación, atraviesa la denominada «intersección cónica»: un punto de cruce efímero pero crucial en el que los movimientos de los electrones y los núcleos de los átomos se acoplan fuertemente. Tras este punto, la molécula vuelve al estado fundamental. En ese momento, la energía electrónica se convierte en vibraciones. Los investigadores descubrieron que esta conversión deja huellas distintivas en diferentes sitios atómicos: el átomo de flúor actúa como un marcador claro de la relajación vibratoria, mientras que el átomo de nitrógeno, que participa más directamente en la excitación, refleja una respuesta entrelazada de redistribución de electrones y movimiento estructural. «Ahora podemos ver que no todos los sitios atómicos cuentan la misma historia en las señales que captamos de nuestros pulsos de rayos X», afirma Antonio Picón, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ICMM-CSIC), coautor del estudio. «Algunos átomos indican hacia dónde se dirige la carga, mientras que otros revelan cómo vibra la molécula en su conjunto».

Para observar este proceso, el equipo utilizó la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X resuelta en el tiempo (tr-XPS) en el instrumento Small Quantum Systems (SQS) del European XFEL. En primer lugar, un pulso de láser ultravioleta excitó las moléculas y, a continuación, un pulso de rayos X blandos, retardado con precisión, las ionizó al extraer electrones fuertemente enlazados de los átomos de nitrógeno o flúor. Al medir la energía de estos electrones emitidos con distintos retrasos temporales, los científicos reconstruyeron cómo evolucionaba el entorno químico local en el transcurso de tan solo un par de picosegundos (trillones de segundos). Para interpretar los datos, el equipo desarrolló simulaciones y modelos avanzados.

Este trabajo demuestra la capacidad de los pulsos de rayos X ultracortos y de alto brillo del European XFEL para desentrañar los movimientos acoplados más rápidos de la materia. Más allá de esta molécula en concreto, el enfoque puede aplicarse de forma general para analizar cómo la luz desencadena cambios estructurales, con el potencial de investigar sistemas cada vez más complejos, desde moléculas orgánicas funcionales hasta componentes biomoleculares y materiales energéticos. «Para esto se construyó el European XFEL: para observar el cambio químico allí donde comienza, en sitios atómicos específicos y en su escala de tiempo natural», afirma Daniel Rivas, antiguo científico de instrumentos, ahora científico invitado en el SQS y coautor del estudio. «Al combinar la sensibilidad multisitio con la resolución en femtosegundos, estamos abriendo una nueva ventana a los mecanismos microscópicos que rigen la fotoquímica».