Científicos registran la flexibilidad de las moléculas en video

El método desarrollado permite observar las uniones químicas entre átomos a una escala de una milbillonésima de segundo, y tiene aplicaciones en las más diversas áreas

Por Heitor Shimizu, desde Lincoln (EE.UU.)  |  Agência FAPESP – Las uniones químicas entre átomos son flexibles. Y esta flexibilidad es lo que permite que las moléculas cambien de forma en procesos fundamentales inherentes a funciones químicas y biológicas tales como la respiración del hombre o la fotosíntesis de las plantas.

Son movimientos que ocurren a la escala de tiempo del femtosegundo. Un femtosegundo, o una milbillonésima de segundo (10^-15), es el tiempo que tarda la luz para recorrer una distancia equivalente al espesor de un cabello humano. Hasta ahora, los estudios de uniones químicas entre átomos se hacían indirectamente, mediante espectroscopía, por ejemplo, lo cual demanda cálculos para transformar datos en retratos de la geometría nuclear. 

El grupo de Martin Centurion, docente del Departamento de Física y Astronomía de la University of Nebraska-Lincoln, Estados Unidos, desarrolló un método con el objetivo de observar directamente los movimientos continuos a nivel nuclear.

Con una cámara de electrones ultrarrápida, que montó en colaboración con investigadores del SLAC National Accelerator Laboratory, en Stanford, Centurion y sus colegas lograron registrar por primera vez imágenes directas de un núcleo atómico en el cual las moléculas vibran millonésimas o hasta milmillonésimas de segundos después de que las alcanza el pulso de un láser.

“Logramos capturar vibraciones con resolución atómica”, dijo Centurion durante la FAPESP Week Nebraska-Texas, que reunió a investigadores de Estados Unidos y de Brasil entre los días 18 y 22 de septiembre en las ciudades de Lincoln (Nebraska) y Lubbock (Texas). 

El método que emplearon para efectuar el registro, denominado difracción ultrarrápida de electrones (UED, en inglés), podrá ayudar a los científicos a entender mejor el papel de los movimientos nucleares en procesos dirigidos mediante luz que ocurren naturalmente a escalas de tiempo extremadamente rápidas.

“Nuestra idea consistió en entender y controlar la conversión de la luz en otras formas de energía a nivel molecular. La luz se convierte en energía mecánica (vibraciones) o en energía química mediante la rotura de uniones y por alteraciones de la forma de la molécula en estudio. Pretendíamos observar una reacción química en el momento en que ocurre, a escala atómica y a escalas de tiempo ultrarrápidas”, dijo. 

Los investigadores lograron observar moléculas de yodo en distintos momentos tras estimularlas mediante el empleo de un pulso de láser. Al reunir las imágenes, realizaron una animación en la cual se ve a las moléculas vibrando, y la conexión entre dos núcleos de yodo estirándose alrededor de un 50% –entre 0,27 y 0,39 millonésimas de milímetro– antes de volver al estado inicial. Cada ciclo vibracional registrado duró alrededor de 400 femtosegundos.

El concepto que está en la base de este método es similar al de un experimento clásico de la Física –realizado por primera vez por el físico inglés Thomas Young en 1801–, en el cual un haz de láser pasa por un par de rendijas laterales y produce un patrón de áreas claras y oscuras en una pantalla. El patrón que se forma depende de la distancia existente entre las rendijas. 

En el UED, se emite un haz de electrones en un gas de moléculas de yodo. La distancia entre ambos núcleos de yodo en cada molécula funciona como la doble rendija. “Primeramente el láser excita a las moléculas. Luego el pulso de electrones se dispersa con respecto a las moléculas. La estructura molecular se obtiene con base en la difracción de los electrones, y forma un patrón de dispersión”, dijo Centurion. 

El láser pasa por las rendijas y llega un detector en una pantalla. El patrón resultante es el patrón de dispersión al que se refiere el investigador. “La distancia entre las rendijas puede calcularse con base en la frecuencia del patrón de interferencia”, dijo Centurion. 

En la medida en que las moléculas de yodo vibran, el patrón se altera. Estas alteraciones en la separación de los núcleos quedaron registradas a los efectos de elaborar la animación que muestra la flexibilidad molecular.

El grupo del investigador también tuvo éxito en experimentos tendientes a generar pulsos de láseres con altas cargas: con más de 1.000 millones de electrones por pulso, superiores más de mil veces a las de los métodos tradicionales. 

“Los pulsos de electrones acelerados por láseres surgen como prometedores con miras a capturar la interacción de la materia con campos de láseres intensos en los cuales debe capturarse la imagen instantáneamente”, dijo. 

Centurion destaca que la difracción ultrarrápida de electrones creará nuevas oportunidades para la realización de estudios de alta precisión referentes a procesos dinámicos en diversas áreas, tales como biología, química y ciencia de materiales.

El método UED ha venido siendo investigado por grupos de científicos de diversos países desde la década de 1980, pero la calidad de los haces de electrones sólo recientemente empezó a ser lo suficientemente buena como para permitir la realización de estudios a la escala del femtosegundo.

Centurion y sus colegas del SLAC emplearon un aparato que posee una fuente de electrones ultrabrillante y de alta energía –desarrollada originariamente para el láser de rayos X del laboratorio– denominado Linac Coherent Light Source.

Los investigadores pretenden ahora utilizar este método para el estudio de moléculas más grandes y más complejas que las de yodo. Los resultados del estudio de Centurion y sus colegas, intitulado Diffractive Imaging of Coherent Nuclear Motion in Isolated Molecules, salieron publicados en Physical Review Letters.

Más información sobre la FAPESP Week Nebraska-Texas en el siguiente enlace: www.fapesp.br/week2017/nebraska-texas.