Instantánea de la molécula por explosión.

¿Inflar un sujeto de la foto para tomar tu 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 explotar 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 el experimento. y uno de los dos primeros autores de la publicación en la revista científica Naturaleza física 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 el registro 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 de European XFEL y Goethe University 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 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 formación de imágenes de ráfaga de Coulomb, un pulso láser de rayos X de alta intensidad, ultracorto y de alta intensidad expulsa 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 ráfaga de Coulomb se han limitado a moléculas pequeñas que consisten en no más de cinco átomos», explica Julia Schäfer del Centro de Ciencias del Láser de Electrones Libres (CFEL) de DESY, el otro primer autor del estudio. «Con nuestro trabajo, superamos ese límite para este método». Yodopiridina (C₅H₄IN) consta de once átomos.

El estudio de filmación de las imágenes de las moléculas explosivas es el instrumento SQS (Small Quantum Systems) del 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 tiempo de impacto de los fragmentos se determinan y 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 procesos involucrados”, dice Robin Santra, investigador de DESY, quien lideró la parte teórica del trabajo. .

La imagen de explosión de Coulomb es particularmente adecuada 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 la producción de películas moleculares, junto con los desarrollados para líquidos y sólidos en otros instrumentos XFEL europeos.

“Queremos entender en detalle los procesos fotoquímicos fundamentales. 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 añade que «están trabajando en la investigación dinámica molecular como el siguiente paso para que las imágenes individuales se puedan combinar en una película molecular real, y ya hemos realizado el primero de estos experimentos».