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Científicos observan movimientos moleculares en tiempo real


Un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Brown ha utilizado pulsos de rayos X de velocidad ultra alta para obtener imágenes de movimientos sutiles de una molécula de N-metilmorfolina.

"Durante muchos años, los químicos han aprendido acerca de las reacciones químicas al estudiar esencialmente las moléculas presentes antes y después de que haya ocurrido una reacción", dijo el Dr. Brian Stankus, primer autor del estudio de la Universidad de Brown.

"Era imposible ver realmente la química, ya que sucede porque la mayoría de las transformaciones moleculares ocurren muy rápido. Pero las fuentes de luz ultrarrápidas, como la que usamos en este experimento, nos han permitido medir movimientos moleculares en tiempo real, y esta es la primera vez que se ven estos tipos de efectos sutiles con tanta claridad en una molécula orgánica de este tamaño".

El estudio
Para el estudio, el Dr. Stankus y sus colegas observaron los movimientos moleculares que se producen cuando la N-metilmorfolina es excitada por pulsos de luz ultra violeta.

"Básicamente, golpeamos las moléculas con luz ultra violeta, lo que inicia la respuesta, y luego, fracciones de segundo, tomamos una imagen con un pulso de rayos X", dijo el Dr. Stankus.

"Repetimos esto una y otra vez, con diferentes intervalos entre el pulso de luz ultravioleta y el pulso de rayos X para crear una serie de tiempo".

Los rayos X se dispersan en patrones particulares, dependiendo de la estructura de las moléculas.

Esos patrones son analizados y se usan para reconstruir una forma de la molécula, a medida que se desarrollan los movimientos moleculares.

El descubrimiento
El experimento reveló una reacción extremadamente sutil en la que solo un electrón se excita, causando un patrón distinto de vibraciones moleculares.

Los investigadores pudieron visualizar tanto la excitación electrónica como la vibración atómica, con gran detalle.

En mecánica cuántica un estado excitado de un sistema (como un electrón, núcleo atómico, átomo, o molécula) es cualquier estado cuántico metaestable, que gozando de una mayor energía que el estado fundamental (es decir, más energía que el mínimo absoluto),​ "decae espontáneamente" evolucionando hacia el estado fundamental.

"Este estudio es un verdadero hito porque, por primera vez, pudimos medir con gran claridad la estructura de una molécula en un estado de excitación y resolución de tiempo", dijo el profesor Peter Weber, profesor de la Universidad de Brown y autor principal del estudio.

Un aspecto particularmente interesante de la reacción es que es coherente, es decir, cuando los grupos de estas moléculas interactúan con la luz, sus átomos vibran en sincronización entre sí.

"Si podemos usar experimentos como este para estudiar cómo se puede usar exactamente la luz para dirigir el movimiento colectivo de miles de millones de moléculas, podemos diseñar sistemas que puedan controlarse de manera coherente", dijo el Dr. Stankus.

"En pocas palabras: si entendemos exactamente cómo la luz dirige los movimientos moleculares, podemos diseñar nuevos sistemas y controlarlos para hacer química útil".

Crédito de la imagen: Brown University

Referencia del documento científico:
Brian Stankus et al. La dispersión ultrarrápida de rayos X revela una coherencia vibratoria tras la excitación de Rydberg. Nature Chemistry, publicado en línea el 8 de julio de 2019; doi: 10.1038 / s41557-019-0291-0

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