Una 'cámara de electrones' fotografía los núcleos de las moléculas

Una «cámara de electrones» ultrarrápida del Acelerador Nacional SLAC, del Departamento de Energía de EE.UU., ha realizado las primeras instantáneas directos de núcleos atómicos de moléculas que vibran en un tiempo de millonésimas de milmillonésimas de segundo después de ser golpeadas por un pulso de láser.

El método, llamado difracción de electrones ultrarrápida (UED, por sus siglas en inglés), podría ayudar a los científicos a entender mejor el papel de los movimientos nucleares en los procesos impulsados por la luz que ocurren de forma natural en escalas de tiempo extremadamente rápidas.

Los investigadores utilizaron un haz de electrones del instrumento UED para observar moléculas de yodo en diferentes momentos después del pulso láser. Uniendo las imágenes, obtuvieron una «película molecular» que muestra a la molécula vibrando y el enlace entre los dos núcleos de yodo extendiéndose casi un 50 por ciento -de 0,27 a 0,39 millonésimas de milímetro- antes de volver a su estado inicial.

Un ciclo de vibración duraba cerca de 400 femtosegundos; un femtosegundo, o millonésima de una billonésima parte de un segundo, es el tiempo que tarda la luz en recorrer una pequeña fracción del ancho de un cabello humano.

«Hemos forzado el límite de velocidad de la técnica de manera que ahora podemos ver movimientos nucleares de gases en tiempo real», dice el co-investigador principal Xijie Wang, científico principal del SLAC para UED, en la nota de prensa oficial. «Este avance crea nuevas oportunidades para estudios precisos de procesos dinámicos de la biología, la química y la ciencia de los materiales.»

El método UED estaba siendo desarrollado por una serie de grupos de todo el mundo desde la década de 1980. Sin embargo, hasta ahora la calidad de los haces de electrones no ha sido suficientemente alta para hacer estudios de femtosegundos.

Los resultados serán publicados en la revista Physical Review Letters.

Métodos

Los físicos saben desde hace mucho tiempo que los enlaces químicos entre los átomos son flexibles, como resortes que conectan esferas. Esta flexibilidad permite que las moléculas cambien de forma de manera crucial para funciones biológicas y químicas como la visión y la fotosíntesis. Sin embargo, los métodos para el estudio de estos movimientos en una escala de tiempo de femtosegundos han sido hasta ahora indirectos. Por ejemplo, la espectroscopía y los rayos X se basaban en las nubes de electrones, pero no llegaban al núcleo.

La UED utiliza un haz de electrones muy energéticos que interactúa tanto con los electrones como con los núcleos atómicos en moléculas. Por lo tanto, puede sondear directamente la geometría nuclear con alta resolución.

«Anteriormente hemos utilizado el método para observar la rotación de las moléculas, un movimiento que no cambia la estructura nuclear», dice el autor principal Jie Yang, de SLAC, que estaba en la Universidad de Nebraska en el momento del estudio. «Ahora hemos demostrado que también podemos ver los cambios en los enlaces debidos a las vibraciones.»

Doble rendija

El concepto que subyace al experimento de la UED con yodo es similar al experimento de la doble rendija clásica que se enseña en el instituto. En ese experimento, un haz de láser pasa a través de un par de rendijas verticales, produciendo un patrón de interferencia de zonas brillantes y oscuras en una pantalla. El patrón depende de la distancia entre las dos rendijas.

En el caso de la UED, un haz de electrones brilla a través de un gas de moléculas de yodo, y la distancia entre los dos núcleos de yodo de cada molécula define la doble rendija. El haz llega a un detector en lugar de a una pantalla. El patrón de intensidad resultante en el detector se denomina patrón de difracción.

«El patrón característico de inmediato nos dice la distancia entre los núcleos», dice el co-investigador principal Markus Guehr, de la Universidad de Potsdam (Alemania) y del Instituto PULSE de la Universidad Stanford (California). «Pero podemos aprender aún más. Como las moléculas de yodo vibran, el patrón de difracción cambia, y podemos seguir los cambios en la separación nuclear en tiempo real».

El método, además, funciona para todo tipo de moléculas, y quieren utilizarlo para moléculas con más de dos átomos. Referencia bibliográfica:

Jie Yang, Markus Guehr, Xiaozhe Shen, Renkai Li, Theodore Vecchione, Ryan Coffee, Jeff Corbett, Alan Fry, Nick Hartmann, Carsten Hast, Kareem Hegazy, Keith Jobe, Igor Makasyuk, Joseph Robinson, Matthew S. Robinson, Sharon Vetter, Stephen Weathersby, Charles Yoneda, Xijie Wang, Martin Centurion: Diffractive Imaging of Coherent Nuclear Motion in Isolated Molecules. Physical Review Letters (2016). http://arxiv.org/abs/1608.07725