Instantánea de la molécula por explosión.

Explotar un tema de la foto para tomar una foto de él? Un equipo de investigación internacional del XFEL europeo, el láser de rayos X más grande del mundo, ha aplicado este método “extremo” para tomar fotografías de moléculas complejas. Los científicos utilizaron los destellos de rayos X ultrabrillantes generados por la instalación para tomar instantáneas de moléculas de yodopiridina en fase gaseosa con resolución atómica. El láser de rayos X hizo estallar las moléculas y la imagen fue reconstruida a partir de las piezas. “Gracias a los pulsos de rayos X extremadamente intensos y particularmente cortos del XFEL europeo, pudimos producir una imagen de una claridad sin precedentes para este método y el tamaño de la molécula”, informa Rebecca Boll del XFEL europeo, investigadora principal de la ‘experiencia. y uno de los dos primeros autores de la publicación en la revista científica Física Natural en el que el equipo describe sus resultados. Imágenes tan claras de moléculas complejas no han sido posibles con esta técnica experimental hasta ahora.

Las imágenes son un paso importante hacia la grabación de películas moleculares, que los investigadores esperan utilizar en el futuro para observar detalles de reacciones bioquímicas y químicas o cambios físicos en alta resolución. Se espera que estas películas estimulen el desarrollo en varias áreas de investigación. “El método que usamos es particularmente prometedor para estudiar los procesos fotoquímicos”, dice Till Jahnke de European XFEL y Goethe University Frankfurt, quien es miembro del equipo central de estudio. Estos procesos en los que la luz desencadena reacciones químicas son de gran importancia tanto en el laboratorio como en la naturaleza, por ejemplo, en la fotosíntesis y en los procesos visuales del ojo. “El desarrollo de películas moleculares es investigación básica”, dice Jahnke, con la esperanza de que “el conocimiento obtenido de ellas pueda ayudarnos a comprender mejor estos procesos en el futuro y desarrollar nuevas ideas para la medicina, la producción de energía sostenible y la investigación de materiales”.

En el método conocido como imágenes de explosión de Coulomb, un pulso láser de rayos X ultracorto de alta intensidad elimina una gran cantidad de electrones de la molécula. Debido a la fuerte repulsión electrostática entre los átomos cargados positivamente restantes, la molécula explota en femtosegundos, o una millonésima de una billonésima de segundo. Los fragmentos ionizados individuales salen volando y son registrados por un detector.

“Hasta ahora, la obtención de imágenes de la explosión de Coulomb se ha limitado a moléculas pequeñas compuestas por un máximo de cinco átomos”, dice Julia Schäfer del Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL) en DESY, la otra primera autora del estudio. “Gracias a nuestro trabajo, hemos superado este límite para este método”. Yodopiridina (C₅H₄IN) consta de once átomos.

El estudio de filmación de imágenes de moléculas explosivas es el instrumento SQS (Small Quantum Systems) del XFEL europeo. Un microscopio de reacción COLTRIMS (REMI) desarrollado especialmente para este tipo de investigación aplica campos eléctricos para dirigir los fragmentos cargados hacia un detector. La ubicación y el momento del impacto de los fragmentos se determinan y luego se utilizan para reconstruir su impulso, el producto de la masa por la velocidad, con el que los iones golpean el detector. “Esta información se puede utilizar para obtener detalles sobre la molécula y, mediante modelos, podemos reconstruir el curso de las reacciones y los procesos involucrados”, explica Robin Santra, investigador de DESY, quien dirigió la parte teórica de los trabajos.

Las imágenes de explosión de Coulomb son particularmente adecuadas para rastrear átomos muy ligeros como el hidrógeno en reacciones químicas. La técnica permite investigaciones detalladas de moléculas individuales en fase gaseosa y, por lo tanto, es un método complementario para producir películas moleculares, junto con los desarrollados para líquidos y sólidos en otros instrumentos XFEL europeos.

“Queremos comprender los procesos fotoquímicos fundamentales en detalle. En la fase gaseosa, no hay interferencia de otras moléculas o del medio ambiente. Por lo tanto, podemos usar nuestra técnica para estudiar moléculas individuales y aisladas”, explica Jahnke. Boll agrega que están “trabajando para investigar dinámica molecular como siguiente paso, para que las imágenes individuales puedan combinarse en una película molecular real, y ya han realizado el primero de estos experimentos. »