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» » » Átomos moviéndose dentro de una molécula

Utilizando 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 la edición de esta semana de la revista Nature, es el uso de la energía del propio electrón de la molécula, como una especie de "bombilla de flash" para iluminar el movimiento molecular.

El equipo utilizó pulsos láser ultrarrápidos para sacar a un electrón de su órbita natural en una molécula. El electrón cayó entonces hacia la molécula dispersándose por ella, parecido a la forma en que un destello de luz se dispersa alrededor de un objeto, o a la forma en que se expande una onda de agua en un estanque.

El investigador principal, Louis DiMauro, de la Universidad Estatal de Ohio, dijo que esta proeza constituye un primer paso hacia la observación de las reacciones químicas, y también hacia su control a escala atómica.

"A través de estos experimentos, nos dimos cuenta de que podemos controlar la trayectoria cuántica de un electrón cuando regresa a la molécula, mediante el ajuste del láser que lo lanza", señaló DiMauro, profesor de física en la Estatal de Ohio. "El siguiente paso será ver si somos capaces de dirigir el electrón en la forma adecuada, para controlar de forma efectiva la reacción química."

Una técnica estándar de imagen de un objeto consiste todavía en disparar sobre el objeto un haz de electrones, un bombardeo de millones de electrones por segundo. Este nuevo enfoque cuántico permite una imagen del rápido movimiento molecular, basados ​​en los avances teóricos de los coautores de este documento, de la Universidad Estatal de Kansas.

La técnica se llama difracción de electrones inducida por láser (LIED), y se utiliza comúnmente en la ciencia de superficies para estudiar los materiales sólidos. Aquí, los investigadores lo utilizan para estudiar el movimiento de los átomos en una molécula.

Las moléculas que escogieron para el estudio son muy simples: nitrógeno, o N2, y oxígeno, O2. El N2 y el O2 son gases comunes atmosféricos, y los científicos ya saben todos los detalles de su estructura, por lo que estas dos moléculas tan básicas son un buen caso para probar el método de LIED.

En cada caso, los investigadores golpear la molécula con pulsos de luz láser de 50 femtosegundos, o la mil billonésima de segundo. Así fueron capaces de derribar un único electrón de la capa exterior de la molécula, y detectar la señal de dispersión del electrón volviendo a colisionar con la molécula.

DiMauro comparó la señal de dispersión del electrón con el patrón de difracción que forma la luz cuando pasa a través de rendijas. Sabiendo que solamente con el patrón de difracción, los científicos pueden reconstruir el tamaño y forma de las rendijas, y que en este caso, nos daba el patrón de difracción del electrón, los físicos reconstruyeron el tamaño y la forma de la molécula, es decir, las ubicaciones de los núcleos de los átomos constituyentes.

La clave, explicó Blaga, es que durante un breve lapso de tiempo, entre el momento en que el electrón es derribado de la molécula y cuando re-colisiona, los átomos en las moléculas se han movido. El método LIED puede capturar este movimiento, “es como hacer una película del mundo cuántico", agregó.

Más allá de su potencial para controlar las reacciones químicas, la técnica ofrece una nueva herramienta para estudiar la estructura y dinámica de la materia, dijo. "En última instancia, queremos realmente entender cómo se producen las reacciones químicas. Así pues, a largo plazo, habría aplicaciones en la ciencia de materiales e incluso en fabricación de productos químicos. "

"Podemos usar esto para estudiar los átomos individuales", añadió DiMauro, "pero el mayor impacto sobre la ciencia vendrá cuando podamos estudiar las reacciones entre las moléculas más complejas. Ahora son dos átomos, todavía queda un largo camino para el estudio de una molécula más interesante, como una proteína".

Autores de la investigación son Anthony DiChiara, Emily Sistrunk, Kaikai Zhang, Pierre Agostini, y Terry A. Miller, de la Ohio State, y C.D. Lin, de la Kansas State. La parte teórica de esta investigación llevada a cabo por el coautor Junliang Xu, para obtener su doctorado en la Estatal de Kansas, y que pronto se unirá el laboratorio DiMauro como investigador postdoctoral.

Los fondos provienen del programa de ciencias del Departamento de la energía de EE.UU.


- Referencia: RedOrbit,com, 8 de marzo 2012
- Fuentes: Ohio State University | Nature | Kansas State University .
- Imagen: Aquí se muestra el nitrógeno molecular. Los investigadores utilizaron un láser ultra rápido para golpear un electrón de la molécula, y registró el patrón de difracción que se creó cuando el electrón se dispersaba por la molécula. La imagen pone de relieve los cambios que la molécula atravesó durante el lapso de tiempo entre los pulsos láser: una mil billonésima de segundo. El movimiento de los átomos constituyentes se muestra como una medida del creciente momentum angular, en una escala de azul oscuro a rosa, donde el rosa muestra la región de mayor momentum. Imagen cortesía de Cosmin Blaga, Universidad Estatal de Ohio.

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