- Investigadores del ICMM-CSIC lideran un estudio que capta la redistribución energética en moléculas tras absorber luz.
- Utilizan el European XFEL para diferenciar el papel de cada átomo en reacciones ultrarrápidas.
- El método abre nuevas vías para entender la fotoestabilidad del ADN y materiales de captación de luz.
- La técnica de espectroscopia de fotoelectrones de rayos X resuelta en tiempo permite seguir el proceso en picosegundos.
Un equipo internacional liderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), ha conseguido por primera vez seguir en tiempo real cómo una molécula reparte la energía que recibe de la luz, distinguiendo el comportamiento de cada uno de sus átomos. El hallazgo, publicado en la revista Journal of the American Chemical Society, se ha llevado a cabo en el European XFEL de Hamburgo, el láser de rayos X más potente del mundo.
Hasta ahora, los científicos podían medir cambios globales en una molécula, pero no sabían qué ocurría en cada rincón de su estructura. Este trabajo demuestra que átomos distintos de una misma molécula pueden contar historias diferentes sobre el mismo proceso químico, lo que abre una ventana a una comprensión mucho más detallada de las reacciones impulsadas por la luz.
Un hito en la química ultrarrápida
Para lograr este avance, los investigadores emplearon la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X resuelta en el tiempo (tr-XPS) en el instrumento Small Quantum Systems (SQS) del European XFEL. El procedimiento consistió en excitar primero la molécula con un pulso de láser ultravioleta y, tras un retraso controlado al milisegundo, disparar un pulso de rayos X blandos que ionizaba átomos concretos. Midiendo la energía de los electrones liberados en distintos instantes, lograron reconstruir la evolución del entorno químico local en apenas unos pocos picosegundos, es decir, billonésimas de segundo.
La molécula elegida para el estudio fue la 3-fluoropiridina, una estructura pequeña con forma de anillo. Cuando absorbe luz ultravioleta, pasa a un estado excitado y se deforma rápidamente, perdiendo su forma plana. Después atraviesa un punto crítico conocido como intersección cónica, donde los movimientos de electrones y núcleos se acoplan fuertemente. Al superarlo, la molécula vuelve a su estado fundamental y la energía electrónica se transforma en vibraciones. Los investigadores descubrieron que esa conversión deja huellas distintas en cada átomo: el flúor actúa como un marcador claro de la relajación vibracional, mientras que el nitrógeno refleja una mezcla de redistribución electrónica y movimiento estructural.
El experimento con 3-fluoropiridina
Antonio Picón, investigador del ICMM-CSIC y uno de los líderes del trabajo, explica que las señales captadas con los pulsos de rayos X revelan que no todos los sitios atómicos cuentan la misma historia. “Algunos átomos indican hacia dónde va la carga, mientras que otros revelan cómo vibra toda la molécula”, señala. Esta capacidad de diferenciar el papel de cada átomo es lo que hace único al método.
Para interpretar los datos, el equipo desarrolló simulaciones y modelos teóricos avanzados que permitieron relacionar las señales experimentales con la dinámica electrónica y estructural observada. El estudio confirma que la excitación por luz puede aumentar la sensibilidad de un átomo al movimiento de sus vecinos, un fenómeno que hasta ahora solo se intuía.
Implicaciones y aplicaciones futuras
Más allá de la 3-fluoropiridina, los investigadores consideran que esta metodología podrá aplicarse al estudio de moléculas orgánicas funcionales, bloques biomoleculares y materiales energéticos. Comprender cómo la luz desencadena transformaciones estructurales a nivel atómico es clave para avanzar en campos como la fotoestabilidad del ADN o el diseño de sistemas de captación de energía solar.
Daniel Rivas, antiguo científico del European XFEL y coautor del estudio, destaca que la instalación fue creada precisamente para observar el cambio químico donde comienza, en sitios atómicos específicos y en su escala temporal natural. “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.
El trabajo demuestra el enorme potencial de los pulsos de rayos X ultracortos y de alta luminosidad del European XFEL para desentrañar los movimientos acoplados más rápidos de la materia. Este avance, liderado desde España, sitúa a la investigación europea en la vanguardia de la química ultrarrápida y promete revolucionar nuestra comprensión de los procesos fundamentales impulsados por la luz.
