Comprender qué ocurre dentro de una molécula en los primeros instantes tras absorber luz es uno de los grandes desafíos de la química moderna. Un equipo internacional liderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) ha conseguido observar este proceso con un nivel de detalle sin precedentes, diferenciando por primera vez el papel que desempeña cada átomo en la redistribución de la energía.
El trabajo, publicado en la revista Journal of the American Chemical Society, se ha desarrollado en el European XFEL de Hamburgo, considerado el láser de rayos X más potente del mundo, y abre nuevas posibilidades para comprender procesos fundamentales como la fotoestabilidad del ADN, el transporte de energía en materiales capaces de captar luz o el diseño de nuevos sistemas fotoactivos.
Los rayos X revelan cómo cada átomo responde de forma diferente tras absorber luz
Los investigadores utilizaron pulsos ultracortos de rayos X del European XFEL para demostrar que los distintos átomos de una misma molécula pueden ofrecer información completamente diferente sobre una misma reacción química.
El estudio aporta una evidencia experimental clara de que la excitación mediante luz incrementa la sensibilidad de determinados átomos al movimiento de sus vecinos, permitiendo seguir con gran precisión la evolución de las reacciones químicas ultrarrápidas a escala atómica y en tiempo real.
Este nuevo enfoque permitirá comprender mejor procesos esenciales impulsados por la luz, desde los mecanismos que protegen el ADN frente a la radiación hasta el flujo de energía en materiales destinados a la captación solar.
Qué ocurre dentro de una molécula cuando absorbe un pulso de luz
La investigación se centró en la 3-fluoropiridina, una pequeña molécula con estructura en forma de anillo que constituye un excelente modelo para estudiar la dinámica molecular.
Cuando absorbe un pulso de luz ultravioleta, la molécula pasa a un estado electrónicamente excitado y pierde rápidamente su geometría plana. A continuación atraviesa una intersección cónica, un punto extremadamente breve pero decisivo en el que los movimientos de los electrones y de los núcleos atómicos quedan fuertemente acoplados.
Tras superar esta fase crítica, la molécula regresa a su estado fundamental y la energía electrónica se transforma en vibraciones moleculares. Fue precisamente durante este proceso cuando el equipo descubrió que cada átomo conserva una «firma» diferente de esa transformación energética.
El átomo de flúor actúa como un excelente marcador de la relajación vibracional, mientras que el átomo de nitrógeno, mucho más implicado en la excitación inicial, refleja simultáneamente la redistribución electrónica y los cambios estructurales de la molécula.
«Ahora podemos ver que no todos los sitios atómicos cuentan la misma historia en las señales que captamos con nuestros pulsos de rayos X», explica Antonio Picón, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) y uno de los líderes del estudio. «Algunos átomos indican hacia dónde va la carga, mientras que otros revelan cómo vibra toda la molécula», añade.
Una técnica capaz de seguir reacciones químicas en apenas picosegundos
Para observar estos fenómenos, el equipo recurrió a la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X resuelta en el tiempo (tr-XPS).
Primero, un pulso de láser ultravioleta excitó las moléculas. Posteriormente, un pulso de rayos X blandos, aplicado con un retraso perfectamente controlado, ionizó los átomos de nitrógeno o de flúor, liberando electrones fuertemente ligados.
Al medir la energía de esos electrones en distintos instantes, los científicos lograron reconstruir cómo evolucionaba el entorno químico local durante apenas unos pocos picosegundos, es decir, billonésimas de segundo.
La interpretación de los resultados fue posible gracias al desarrollo de simulaciones y modelos teóricos avanzados, que permitieron relacionar las señales experimentales con la dinámica electrónica y estructural observada.
Un avance que amplía las posibilidades del European XFEL
Más allá de la 3-fluoropiridina, el estudio demuestra el enorme potencial de los pulsos ultracortos y de alta luminosidad del European XFEL para investigar los movimientos acoplados más rápidos que tienen lugar en la materia.
Los investigadores consideran que esta metodología podrá aplicarse al estudio de moléculas orgánicas funcionales, bloques biomoleculares y materiales energéticos, facilitando la comprensión de cómo la luz desencadena transformaciones estructurales cada vez más complejas.
«Para esto se construyó el European XFEL: para observar el cambio químico donde comienza, en sitios atómicos específicos y en su escala temporal natural», afirma Daniel Rivas, antiguo científico de este instrumento y actualmente científico invitado en SQS, además de coautor del estudio.
«Al combinar la sensibilidad en múltiples sitios con resolución de femtosegundos, estamos abriendo una nueva ventana a los mecanismos microscópicos que rigen la fotoquímica», concluye.
