Instantánea de la molécula por explosión

¿Explotar un sujeto de la foto para tomar su foto? Un equipo de investigación internacional del XFEL europeo, el láser de rayos X más grande del mundo, aplicó 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 que las moléculas explotaran y la imagen se reconstruyó 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 del experimento. y uno de los dos primeros autores de la publicación en la revista científica Física de la naturaleza en el que el equipo describe sus resultados. Imágenes tan claras de moléculas complejas no han sido posibles hasta ahora con esta técnica experimental.

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 tales películas estimulen el desarrollo en varios campos de investigación. «El método que utilizamos es particularmente prometedor para investigar los procesos fotoquímicos», explica Till Jahnke del XFEL europeo y la Universidad Goethe de Frankfurt, quien es miembro del equipo central que realiza el estudio. Tales 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 en el ojo. «El desarrollo de películas moleculares es una investigación fundamental», explica Jahnke, con la esperanza de que «el conocimiento obtenido de ellas pueda ayudarnos a comprender mejor dichos 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 de alta intensidad y ultracorto elimina una gran cantidad de electrones de la molécula. Debido a la fuerte repulsión electrostática entre los átomos restantes cargados positivamente, la molécula explota en unos pocos femtosegundos, una millonésima de una billonésima de segundo. Los fragmentos ionizados individuales luego se separan y son registrados por un detector.

«Hasta ahora, las imágenes de explosión de Coulomb se limitaban a moléculas pequeñas que constaban de no más de cinco átomos», explica Julia Schäfer del Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL) en DESY, el otro primer autor del estudio. «Con nuestro trabajo, hemos superado este límite para este método». Yodopiridina (C₅H₄IN) consta de once átomos.

El estudio de filmación para las imágenes de moléculas explosivas es el instrumento SQS (Small Quantum Systems) en el XFEL europeo. Un microscopio de reacción COLTRIMS (REMI) desarrollado especialmente para este tipo de investigaciones aplica campos eléctricos para dirigir los fragmentos cargados a 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, con la ayuda de modelos, podemos reconstruir el curso de las reacciones y los procesos involucrados», dice el investigador de DESY Robin Santra, quien dirigió la parte teórica del trabajo.

Las imágenes de explosión de Coulomb son especialmente adecuadas para el seguimiento de 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 que se están desarrollando 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», dice Jahnke. Boll agrega que «están trabajando en la investigación de la dinámica molecular como el próximo paso, de modo que las imágenes individuales puedan combinarse en una película molecular real, y ya han realizado el primero de estos experimentos».