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» » » ¿Cuándo una molécula es una molécula?

Referencia: ScienceDaily.com , 17 de julio 2014

Con el uso de flashes de rayos X ultra-cortos, un equipo internacional de investigadores observó la forma en los electrones saltan entre los fragmentos de moléculas que explotan. El estudio revela hasta qué distancia puede ocurrir la transferencia de carga entre los fragmentos moleculares, marcando con ello el límite del régimen molecular. 

Una visión artística de la transferencia de electrones en el interior de una molécula de yodometano. Después de la interacción con un láser de rayos X ultrarrápido, los electrones del grupo metilo, a la derecha, saltan al átomo de yodo, a la izquierda. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory.
La técnica utilizada puede mostrar la dinámica de la transferencia de carga en una amplia gama de sistemas moleculares, tal como han informado los científicos Dr. Benjamin Erk y Dr. Daniel Rolles de DESY y el Profesor Artem Rudenko, de la Universidad Estatal de Kansas, en el journal Science. Tales mecanismos desempeñan un papel en numerosos procesos químicos, entre ellos la fotosíntesis.
"La transferencia de carga se lleva a cabo a velocidades aproximadas de hasta diez veces la longitud normal de enlace", dice Erk, un científico de DESY que trabaja con el láser de electrones libres FLASH y en el Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), una colaboración entre DESY, la Universidad de Hamburgo y de la Sociedad Max Planck. "La cuestión central es: ¿cuándo una molécula es una molécula", plantea Rudenko. "Y en este caso, hasta qué distancia los componentes moleculares comparten electrones, y hasta qué distancia se descompone la transferencia de carga entre dos fragmentos moleculares? La distancia crítica que medimos marca la transición desde el nivel molecular al régimen atómico."

Para su estudio, los científicos dispararon un láser infrarrojo a unas moléculas de yodometano (CH3I), compuestas de yodo y un grupo metilo (CH3), para romper el enlace de ambos. "Con la ayuda de estos pulsos de rayos X ultra-cortos, los electrones fueron eliminados de las capas internas de los átomos de yodo, eso nos permitió observar cómo se comparten los electrones de la desintegrada molécula distribuyéndose entre los dos fragmentos", explica Rolles, que dirige un grupo de investigación junior en DESY. Para ello, los investigadores utilizaron el que actualmente es el láser de rayos X, LCLS, más potente del mundo,  ubicado en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC, en California.

"Con cada paso retardamos el pulso de rayos-X un poco más del pulso láser infrarrojo", explica Erk. Esta demora oscilaba entre unos pocos femtosegundos y un picosegundo, esto es, una billonésima de segundo. "Cuanto más tarde llegaba el pulso de rayos X, más separados se movían uno del otro los dos constituyentes moleculares". De esta manera, los investigadores lograron obtener una serie de instantáneas en las que la transferencia de electrones se podía observar a una distancia cada vez mayor entre los restos moleculares.

"Cuanto más separados se muevan los fragmentos, más probabilidad de que disminuya la transferencia de carga", continúa Erk. "Hemos sido capaces de detectar electrones que saltan entre dos fragmentos incluso a una distancia de unos 20 Ångström". La longitud de enlace del yodometano es de tan sólo 2 Ångström ó 0,2 nanómetros (millonésimas de milímetro).

"Nuestros resultados son importantes para una variedad de sistemas", subraya Rudenko. "Por ejemplo, se han observado los rayos X de astrofísica producidos por los procesos de transferencia de carga. Tales mecanismos juegan un papel importante en numerosos procesos químicos, por ejemplo, en la fotosíntesis o en las células solares. Y durante sus investigaciones, los científicos que estudian las biomoléculas usando rayos X luchan contra el daño por radiación a sus muestras. He aquí que, los procesos que estudiamos desempeñan un importante papel."

Estos primeros resultados también ofrecen un puente entre el estudio de la transferencia de electrones entre átomos individuales y el análisis del flujo de carga en sistemas más grandes, como los que a menudo se producen en la biología y la química. Ulteriores investigaciones ayudarán a entender en detalle el proceso de transferencia de carga observado.


- Fuente: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY.
- Publicación: B. Erk, R. Boll, S. Trippel, D. Anielski, L. Foucar, B. Rudek, S. W. Epp, R. Coffee, S. Carron, S. Schorb, K. R. Ferguson, M. Swiggers, J. D. Bozek, M. Simon, T. Marchenko, J. Kupper, I. Schlichting, J. Ullrich, C. Bostedt, D. Rolles, A. Rudenko. Imaging charge transfer in iodomethane upon x-ray photoabsorption. Science, 2014; 345 (6194): 288 DOI: 10.1126/science.1253607 .
- Artículo: “When is a molecule a molecule? Scientists watch fast electron jumps in exploding molecules”.

- Imagen: Una visión artística de la transferencia de electrones en el interior de una molécula de yodometano. Después de la interacción con un láser de rayos X ultrarrápido, los electrones del grupo metilo, a la derecha, saltan al átomo de yodo, a la izquierda. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory..

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