Investigadores captan las primeras imágenes de átomos moviéndose en una molécula

Usando una nueva cámara ultrarrápida, los investigadores han registrado la primera imagen en tiempo real de dos átomos vibrando dentro de una molécula. La clave del experimento, que aparece en el ejemplar de esta semana de la revista Nature, es el uso de los investigadores de la energía de los propios electrones de una molécula como una especie de "bombilla" para iluminar el movimiento molecular. El equipo usó pulsos láser ultrarrápidos para sacar a un electrón fuera de su órbita natural dentro de una molécula. El electrón cae entonces de nuevo hacia la molécula de la que se dispersó, de forma análoga a la forma en la que un destello de luz se dispersa alrededor de un objeto, o una onda de agua se extiende por un estanque.

^"El investigador principal Louis DiMauro de la Universidad Estatal de Ohio dijo que la hazaña marca un primer paso adelante no sólo en la observación de reacciones químicas, sino también en controlarlas a escala atómica.

A través de estos experimentos, nos hemos dado cuenta de que podemos controlar la trayectoria cuántica del electrón cuando vuelve hacia la molécula, ajustando el láser que lo lanza", dice DiMauro, profesor de física en la Universidad Estatal de Ohio. "El siguiente paso será ver si podemos dirigir al electrón justo de la forma adecuada para controlar realmente la reacción química".

Una técnica estándar para tomar imágenes de un objeto implica lanzar contra el objeto un haz de electrones - bombardearlo con millones de electrones por segundo. La nueva aproximación cuántica de un electrón usada por los investigadores les permite captar el rápido movimiento molecular, basándose en los desarrollos teóricos de los coautores del artículo de la Universidad Estatal de Kansas.

Una técnica llamada difracción electrónica inducida por láser (LIED) se usa comúnmente en la ciencia de superficie para estudiar materiales sólidos. Aquí, los investigadores la usaron para estudiar el movimiento de átomos en una molécula aislada.

Las moléculas que eligieron para el estudio era simples: nitrógeno, o N2, y oxígeno, u O2. N2 y O2 son gases atmosféricos comunes, y los científicos ya conocen cada detalle de su estructura, por lo que estas moléculas tan básicas son un buen caso de prueba para el método LIED.

En cada caso, los investigadores golpeaban la molécula con pulsos de luz láser de 50 femtosegundos, o una milbillonésima de segundo. Fueron capaces de sacar un único electrón fuera de la capa externa de la molécula y detectar la señal dispersada del mismo cuando volvía a colisionar con la molécula.

DiMauro y el investigador post-doctoral de la Universidad Estatal de Ohio, Cosmin Blaga, asemejan la señal del electrón dispersado al patrón de difracción que forma la luz cuando pasa a través de rendijas. Dando sólo el patrón de difracción, los científicos pueden reconstruir el tamaño y forma de las rendijas. En este caso, dado el patrón de difracción de los electrones, los físicos reconstruyen la forma y tamaño de la molécula - es decir, las posiciones de los núcleos que constituyen los átomos.

La clave, explica Blaga, es que durante el breve periodo de tiempo entre que el electrón es sacado de la molécula y su colisión durante el retorno, los átomos de las moléculas se han movido. El método LIED puede captar este movimiento, "de forma similar a crear una película del mundo cuántico", añade.

Más allá de su potencial para controlar las reacciones químicas, la técnica ofrece una nueva herramienta para el estudio de la estructura y dinámica de la materia, comenta. "Finalmente, queríamos comprender en realidad cómo tienen lugar las reacciones químicas. Por tanto, a largo plazo, habría aplicaciones en ciencias de los materiales e incluso en fabricación química".

"Podría usarse para estudiar átomos individuales", añade DiMauro, "pero el mayor impacto para la ciencia llegará cuando podamos estudiar las reacciones entre moléculas más complejas. Observar dos átomos - queda un largo camino hasta poder estudiar una molécula más interesante, como una proteína".