Barcelona.-Científicos de España, Estados Unidos, Holanda, Dinamarca y Alemania, han conseguido por primera vez observar en directo y fotografiar cómo se rompe una molécula y deja escapar un protón, un hito pensado hace 20 años pero imposible de lograr hasta ahora.
La hazaña científica que revela la rotura de enlaces químicos de una molécula, tras lograr monitorear directamente la localización de todos los átomos de la mismoa, se publica hoy en la revista Science y supone un avance en la comprensión y control de estos procesos.
Según explicó el profesor del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona (noreste de España) y líder de la investigación, Jens Biegert, la simple idea de poder ver cómo se rompen las moléculas o se transforman durante las reacciones químicas era hasta ahora algo inalcanzable.
La dificultad radica en que requiere seguir todos los átomos de una molécula, con una resolución temporal de pocos femtosegundos (1 femtosegundo es la milésima de la billonésima parte de un segundo, es decir, 0.000000000000001) y una resolución espacial subatómica.
Por eso, poder obtener imágenes “instantáneas” con una resolución espacio-temporal combinada para visualizar una reacción molecular era considerado hasta ahora una cosa únicamente de ciencia ficción.
Hace 20 años, una de las ideas propuestas tomó en cuenta el uso de los propios electrones de la molécula para fotografiar su estructura: es decir, enseñarle a la molécula a hacerse un selfi.
Según Biegert, “la idea era brillante, pero imposible de aplicar, hasta hoy”, cuando los científicos han obtenido imágenes de la rotura de un enlace molecular de acetileno (C2H2) en nueve femtosegundos después de su ionización.
El equipo ha logrado realizar un seguimiento de los átomos individuales de una molécula aislada de acetileno con una resolución espacial de hasta 0.05 Ångström -una resolución más pequeña que el ancho de un átomo individual- y con una resolución temporal de 0.6 femtosegundos.
Incluso fueron capaces de desencadenar la rotura de un solo enlace de la molécula y ver cómo un protón era expulsado de la misma.
“Nuestro método ha conseguido finalmente la resolución espacial temporal necesaria para poder tomar imágenes instantáneas de la dinámica molecular sin perder ninguno de sus eventos, y estamos ansiosos por probarlo en otros sistemas moleculares como catalizadores químicos y sistemas bio-relevantes”, explicó Biegert.
El equipo fabricó una fuente de láser ultrarrápido en el infrarrojo medio, con tecnología puntera en el mundo, y lo combinó con un microscopio de reacción para detectar los momentos de distribución en 3D de electrones e iones en plena coincidencia cinemática.
Los investigadores orientaron una sola molécula aislada de acetileno en el espacio con la ayuda de un láser de pulso corto. Luego, usaron un pulso infrarrojo lo suficientemente fuerte para liberar un electrón de la molécula, se aceleró este electrón con una trayectoria de retorno y se le obligó a dispersarse sobre la molécula ionizada de origen, todo ello en sólo 9 femtosegundos.
Este es el primer experimento en lograr tener una visualización directa de la rotura del enlace y una observación del protón durante su expulsión de la molécula ionizada (C2H2)2+, algo que nunca se había visto antes.
“Tomamos un electrón, lo condujimos a lo largo de una trayectoria específica con el láser y lo dispersamos sobre una molécula aislada para observar y registrar su patrón de difracción y es sorprendente poder imaginar y comprender las escalas de tiempo y longitud del experimento”, detalló Biegert.
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