Científicos logran observar reacciones químicas en tiempo real con rayos X ultrarrápidos

Investigadores del European XFEL lograron captar cómo se produce el movimiento de la energía dentro de una molécula tras absorber luz, utilizando rayos X ultrarrápidos. Este avance permite observar cambios en átomos individuales durante un proceso químico, abriendo nuevas posibilidades para entender la química impulsada por la luz.

El equipo siguió los cambios en átomos específicos mientras la molécula liberaba y redistribuía la energía absorbida. Los resultados indican que la exposición a la luz puede aumentar la reactividad de un átomo en relación con el movimiento de átomos vecinos, lo que proporciona una herramienta para estudiar reacciones químicas extremadamente rápidas a nivel atómico y en tiempo real.

Estudio de 3-fluoropiridina

Los científicos centraron su investigación en la 3-fluoropiridina, una molécula en forma de anillo que contiene átomos de nitrógeno y flúor. Al absorber energía de un pulso láser ultravioleta, los electrones de la molécula alcanzaron un estado de energía superior, provocando un cambio rápido en su estructura.

Este cambio llevó a la molécula a atravesar un punto de intersección cónica, un cruce crucial donde los movimientos de los electrones y los núcleos atómicos se acoplan fuertemente. Este fenómeno es vital en muchas reacciones desencadenadas por la luz, ya que permite que la energía se transfiera rápidamente entre el movimiento electrónico y estructural.

Tras cruzar esta región, la molécula regresó a su estado fundamental y la energía electrónica excedente se convirtió en vibraciones que se propagaron a través de su estructura molecular.

Señales de diferentes átomos

La conversión de energía generó señales distintas en diferentes lugares de la molécula. El átomo de flúor actuó como un indicador claro de cómo las vibraciones de la molécula se relajaban con el tiempo. En cambio, el átomo de nitrógeno, al estar más involucrado en la excitación electrónica original, proporcionó una señal más compleja que reflejó tanto la redistribución de electrones como el cambio estructural de la molécula.

"Ahora podemos observar que no todos los sitios atómicos cuentan la misma historia en las señales que capturamos de nuestros pulsos de rayos X", afirmó Antonio Picón, coautor del estudio. "Algunos átomos informan sobre la dirección de la carga, mientras que otros revelan cómo vibra toda la molécula".

Reconstrucción de transformaciones a nivel picosegundos

Para capturar este proceso, el equipo utilizó espectroscopia de fotoelectrones X-ray temporalmente resuelta (tr-XPS) en el instrumento Small Quantum Systems del European XFEL. Primero, un pulso láser ultravioleta entregó energía a las moléculas, seguido por un pulso de rayos X suave que ionizó las moléculas al eliminar electrones fuertemente ligados de los átomos de nitrógeno o flúor.

Los investigadores repitieron la medición con el pulso de rayos X llegando a diferentes intervalos tras el pulso láser inicial. Al registrar las energías de los electrones liberados, reconstruyeron cómo el entorno químico de cada átomo cambió en un par de picosegundos.

Simulaciones computacionales avanzadas y modelos teóricos se utilizaron para interpretar las señales experimentales y conectar los cambios electrónicos y estructurales subyacentes.

Una nueva perspectiva sobre la fotociencia ultrarrápida

Los hallazgos demostraron cómo los pulsos de rayos X de alta brillantez y corta duración disponibles en el European XFEL pueden separar algunos de los movimientos interconectados más rápidos en la materia. Aunque el experimento se centró en una molécula relativamente simple, el mismo enfoque podría aplicarse a sistemas más complejos, incluyendo moléculas orgánicas funcionales y materiales diseñados para capturar o transferir energía de la luz.

"Esto es lo que se construyó el European XFEL para permitir: observar el cambio químico donde comienza, en sitios atómicos específicos y en su escala de tiempo natural", concluyó Daniel Rivas, coautor del estudio. "Al combinar sensibilidad de múltiples sitios con resolución en femtosegundos, estamos abriendo una nueva ventana sobre los mecanismos microscópicos que rigen la fotociencia".