Una "cámara electrónica" ultrarrápida en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía ha realizado las primeras instantáneas directas de núcleos atómicos en moléculas que vibran en millonésimas de billonésima de segundo después de ser golpeadas por un pulso láser. El método,llamada difracción de electrones ultrarrápida UED, podría ayudar a los científicos a comprender mejor el papel de los movimientos nucleares en los procesos impulsados por la luz que ocurren naturalmente en escalas de tiempo extremadamente rápidas.
Los investigadores utilizaron el haz de electrones del instrumento UED para observar las moléculas de yodo en diferentes puntos en el tiempo después del pulso láser. Al unir las imágenes, obtuvieron una "película molecular" que muestra la molécula vibrando y el enlace entre los dos núcleos de yodoestirando casi el 50 por ciento, de 0.27 a 0.39 millonésimas de milímetro, antes de volver a su estado inicial. Un ciclo vibratorio tomó alrededor de 400 femtosegundos; un femtosegundo, o millonésima de billonésima de segundo, es el tiempo que le toma a la luzviajar una pequeña fracción del ancho de un cabello humano.
"Hemos superado el límite de velocidad de la técnica para que ahora podamos ver los movimientos nucleares en los gases en tiempo real", dijo el co-investigador principal Xijie Wang, científico principal de SLAC para UED. "Este avance crea nuevas oportunidades para la precisiónestudios de procesos dinámicos en biología, química y ciencia de materiales "
El método UED ha sido desarrollado por varios grupos en todo el mundo desde la década de 1980. Sin embargo, la calidad de los haces de electrones se ha vuelto lo suficientemente buena como para permitir estudios de femtosegundos. El instrumento SLAC se beneficia de un electrón ultrabrillante de alta energíafuente desarrollada originalmente para el láser de rayos X de femtosegundos del laboratorio, la fuente de luz coherente Linac LCLS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
Los resultados se publicarán en Cartas de revisión física .
Una forma directa de ver los movimientos nucleares
Los físicos saben desde hace tiempo que los enlaces químicos entre los átomos son flexibles, como los resortes que conectan las esferas. Esta flexibilidad permite que las moléculas cambien de forma de formas cruciales para las funciones biológicas y químicas, como la visión y la fotosíntesis. Sin embargo, los métodos para estudiarloslos movimientos en una escala de tiempo de femtosegundos hasta ahora han sido indirectos.
La espectroscopía, por ejemplo, infiere estos cambios en la forma en que la luz láser interactúa con las nubes de electrones alrededor de los núcleos atómicos, y requiere cálculos teóricos para convertir estos datos en una imagen de la geometría nuclear. Esto se puede hacer con mucha precisión para moléculas pequeñas:un logro que le valió al fallecido Ahmed Zewail, pionero en el campo de la femtoquímica, el Premio Nobel de Química de 1999, pero rápidamente se convierte en un gran desafío para las moléculas más grandes.
Los investigadores también usan rayos X para estudiar movimientos moleculares ultrarrápidos. Aunque los rayos X penetran profundamente en las nubes de electrones, interactuando con los electrones más cercanos a los núcleos, aún no lo hacen con una resolución lo suficientemente alta como para determinar con precisión las posiciones nuclearesen estudios actuales de rayos X de femtosegundos.
En contraste, UED utiliza un haz de electrones muy enérgicos que interactúa con los electrones y los núcleos atómicos en las moléculas. Por lo tanto, puede sondear directamente la geometría nuclear con alta resolución.
"Anteriormente utilizamos el método para observar la rotación de las moléculas, un movimiento que no cambia la estructura nuclear", dijo el autor principal Jie Yang de SLAC, que estaba en la Universidad de Nebraska, Lincoln en el momento deel estudio "ahora hemos demostrado que también podemos ver cambios de enlace debido a las vibraciones"
Un experimento molecular de doble rendija
El concepto detrás del experimento UED con yodo es similar al experimento clásico de doble rendija demostrado a menudo en las aulas de física. En ese experimento, un rayo láser atraviesa un par de rendijas verticales, produciendo un patrón de interferencia de áreas brillantes y oscuras en unpantalla. El patrón depende de la distancia entre las dos rendijas.
En el caso de UED, un haz de electrones brilla a través de un gas de moléculas de yodo, con la distancia entre los dos núcleos de yodo en cada molécula que define la doble rendija, y golpea un detector en lugar de una pantalla. El patrón de intensidad resultante en elel detector se llama patrón de difracción.
"El patrón característico nos dice de inmediato la distancia entre los núcleos", dijo el co-investigador principal Markus Guehr de la Universidad de Potsdam en Alemania y el Stanford PULSE Institute. "Pero podemos aprender aún más. A medida que las moléculas de yodo vibran, la difraccióncambios en el patrón, y podemos seguir los cambios en la separación nuclear en tiempo real "
Un método con perspectivas
El co-investigador principal Martin Centurion de la Universidad de Nebraska, Lincoln, dijo: "Lo que también es bueno de nuestro método es que funciona para cada molécula. A diferencia de otras técnicas que dependen de la capacidad de calcular la estructura nuclear a partir de los datos originales, que funciona mejor para moléculas pequeñas, solo necesitamos conocer las propiedades de nuestro haz de electrones y nuestra configuración experimental "
Siguiendo sus primeros pasos usando la molécula de yodo relativamente simple, el equipo ahora planea expandir sus estudios a moléculas con más de dos átomos.
"El desarrollo de UED en una técnica que puede sondear cambios en distancias internucleares de una muestra de gas diluido en tiempo real es realmente un gran logro", dijo Jianming Cao, un experto en UED de la Universidad Estatal de Florida y ex miembro de Zewaillaboratorio del Instituto de Tecnología de California, que no participó en el estudio ". Esto abre la puerta a los estudios de movimientos a nivel atómico en muchos sistemas, dinámicas estructurales que están en el centro de la correlación entre estructura y función en la materia."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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