El Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), encabeza una investigación mundial que ha conseguido, por primera vez en la historia, captar cómo una molécula redistribuye su energía después de absorber luz, identificando el papel específico que juega cada uno de los átomos en ese proceso.
Este notable avance, cuyos detalles fueron publicados en la prestigiosa revista Journal of the American Chemical Society, se realizó en las instalaciones del European XFEL de Hamburgo, reconocido como el láser de rayos X más potente del planeta, según informó el CSIC.
Para lograr este hito, los equipos de investigación utilizaron destellos de rayos X del European XFEL, demostrando que distintos átomos de una misma molécula pueden revelar aspectos completamente diferentes del proceso químico que ocurre en su interior.
El estudio proporciona, de esta manera, evidencia concluyente de que la excitación provocada por la luz puede aumentar la sensibilidad de un átomo al movimiento de sus átomos vecinos.
Este nuevo método para rastrear reacciones químicas ultrarrápidas a nivel atómico y en tiempo real podría ser clave para comprender fenómenos como la fotoestabilidad del ADN, el flujo de energía en materiales diseñados para captar luz y otros procesos fundamentales que son impulsados por la luz.
El experimento: una molécula llamada 3-fluoropiridina
El trabajo se centró en la 3-fluoropiridina, una molécula pequeña con forma de anillo. Cuando esta molécula absorbe luz —por ejemplo, un pulso corto de un láser ultravioleta—, pasa a un estado electrónicamente excitado y se deforma rápidamente, perdiendo su forma plana original.
Luego, atraviesa un punto conocido como intersección cónica: un momento de cruce breve pero crucial donde los movimientos de los electrones y los núcleos atómicos se acoplan fuertemente. Tras superar este punto, la molécula regresa a su estado fundamental. En ese preciso instante, la energía electrónica se convierte en vibraciones.
Los investigadores descubrieron que esta conversión deja huellas distintivas en distintos sitios atómicos. Por ejemplo, el átomo de flúor actúa como un marcador claro de la relajación vibracional, mientras que el átomo de nitrógeno, que está más directamente implicado en la excitación, refleja una respuesta entrelazada de redistribución electrónica y movimiento estructural.
“Ahora podemos ver que no todos los sitios atómicos cuentan la misma historia en las señales que captamos con nuestros pulsos de rayos X”, señala Antonio Picón, investigador del ICMM-CSIC y uno de los líderes del trabajo. “Algunos átomos indican hacia dónde va la carga, mientras que otros revelan cómo vibra toda la molécula”, añade.
Tecnología de punta para observar lo invisible
Para observar este proceso, el equipo recurrió a la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X resuelta en tiempo (tr-XPS), utilizando el instrumento Small Quantum Systems (SQS) del European XFEL.
El procedimiento fue el siguiente: primero, un pulso de láser ultravioleta excitó las moléculas; luego, un pulso de rayos X blandos, con un retraso de precisión milimétrica, las ionizó, arrancando electrones fuertemente ligados de los átomos de nitrógeno o de flúor.
Al medir la energía de estos electrones emitidos en múltiples intervalos de tiempo, los científicos lograron reconstruir cómo evolucionaba el entorno químico local en el transcurso de apenas unos pocos picosegundos (billonésimas de segundo). Para interpretar los datos, el equipo desarrolló simulaciones y modelos computacionales avanzados.
Este trabajo demuestra la capacidad de los pulsos de rayos X ultracortos y de alta luminosidad del European XFEL para desentrañar los movimientos acoplados más rápidos que ocurren en 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 bloques biomoleculares y materiales energéticos.
“Para esto se construyó el European XFEL: para observar el cambio químico donde comienza, en sitios atómicos específicos y en su escala temporal natural”, comenta Daniel Rivas, antiguo científico en este instrumento y ahora científico invitado en SQS, coautor del estudio. El científico añadió que, al combinar la sensibilidad en múltiples sitios con resolución de femtosegundos, están “abriendo una nueva ventana a los mecanismos microscópicos que rigen la fotoquímica”.
Fuente: Infobae