Investigadores observan por primera vez cómo se desarrolla una reacción química átomo a átomo

El Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), lidera una investigación internacional que ha logrado, por primera vez, captar cómo una molécula redistribuye su energía después de absorber luz, diferenciando el papel de los átomos individuales en el proceso.

El trabajo, publicado en la revista Journal of the American Chemical Society, ha sido llevado a cabo en el European XFEL de Hamburgo, el láser de rayos X más potente del mundo, según ha informado el CSIC.

Los equipos de trabajo utilizaron destellos de rayos X del European XFEL para demostrar que distintos átomos de una misma molécula pueden revelar aspectos completamente diferentes del proceso.

El estudio, de este modo, proporciona evidencia clara de que la excitación por luz puede aumentar la sensibilidad de un átomo al movimiento de los átomos vecinos.

El nuevo método para seguir reacciones químicas ultrarrápidas a escala atómica y en tiempo real puede ayudar a comprender la fotoestabilidad del ADN, el flujo de energía en materiales de captación de luz y otros procesos fundamentales impulsados por la luz.

El trabajo investiga la 3-fluoropiridina, una molécula pequeña con forma de anillo. Cuando la molécula absorbe luz, como un pulso corto de un láser ultravioleta, pasa a un estado electrónicamente excitado y se deforma rápidamente perdiendo su forma plana original.

Luego atraviesa una denominada intersección cónica: un punto de cruce breve pero crucial donde los movimientos de los electrones y los núcleos atómicos se acoplan fuertemente. Tras este punto, la molécula vuelve al estado fundamental. En ese momento, la energía electrónica se convierte en vibraciones.

Los investigadores descubrieron que esta conversión deja huellas distintivas en diferentes sitios atómicos: 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 Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (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.

Para observar este proceso, el equipo utilizó espectroscopia de fotoelectrones de rayos X resuelta en tiempo (tr-XPS) en el instrumento Small Quantum Systems (SQS) del European XFEL.

Un pulso de láser ultravioleta excitó primero las moléculas, y un pulso de rayos X blandos con un retraso preciso las ionizó después, arrancando electrones fuertemente ligados de los átomos de nitrógeno o de flúor.

Midiendo la energía de estos electrones emitidos en muchos intervalos de tiempo diferentes, los científicos reconstruyeron 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 avanzados.

El 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 en la materia. Más allá de esta molécula en particular, 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 y coautor del estudio.

El científico añade 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".