Captar en los enlaces químicos las transformaciones que duran milbillonésimas de segundo

Una colaboración internacional ha logrado llevar la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X a la escala temporal de los femtosegundos. Un femtosegundo (una milbillonésima de segundo) es a un segundo lo que un segundo es a unos 32 millones de años. Este avance no solo permitirá investigar los efectos que en los enlaces químicos provocan los movimientos de los núcleos atómicos, sino también aquellos causados por la dinámica electrónica.

La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), también conocida como espectroscopia de electrones para análisis químico, es una herramienta vital para estudiar el entorno químico local a nivel atómico.

Aprovechando la selectividad atómica de los rayos X, la espectroscopia XPS se ha convertido en una de las técnicas más utilizadas para el análisis de superficies. La mayoría de las mediciones de XPS han tenido una resolución temporal limitada debido a las características de la fuente de rayos X, donde los sincrotrones empujaron los límites de XPS al régimen de decenas de picosegundos (10^-12 s).

Ahora, una colaboración internacional con grupos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) en España, Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza), Instituto Paul Scherrer (Suiza), Laboratorio Nacional de Argonne (Estados Unidos) y Universidad de Stanford (Estados Unidos), ha logrado captar cambios químicos en un esquema ultrarrápido de XPS de solo unos pocos femtosegundos (10^-15 s).

Tal resolución temporal permite que la espectroscopia XPS no solo investigue los movimientos de los núcleos, sino que también capte la dinámica electrónica en su escala de tiempo natural.

Esquema de dos pulsos XFELs para estudiar el entorno químico alrededor del átomo de carbono en tiempo real. (Imagen: A. Picón)

“Ahora podremos observar cambios en el entorno químico justo después de la excitación de la luz, lo que abre un nuevo panorama de aplicaciones, como por ejemplo en la comprensión de complejos fotocatalíticos, de procesos fotoquímicos y de la fotorresistencia de moléculas relevantes para la biología”, declaran los autores del estudio.

Kai Siegbahn recibió el Premio Nobel de Física en 1981 por su contribución pionera y su comprensión de los cambios químicos de energía en los experimentos XPS. La llegada de los láseres de electrones libres de rayos X (XFEL) ha abierto la puerta para extender los estudios XPS al dominio del tiempo de femtosegundos y, por tanto, explorar la dinámica fuera del equilibrio con una resolución temporal de solo unos pocos femtosegundos.

Extender XPS al régimen de femtosegundos no es directo y se requiere desarrollar una nueva metodología para extraer información en un sistema en evolución. Los cambios químicos ultrarrápidos de energía fuera del equilibrio son un campo completamente inexplorado, y su comprensión es fundamental para correlacionarlos con cambios en tiempo real de enlaces químicos locales.

Los autores del nuevo estudio emplearon dos pulsos de rayos X de femtosegundos consecutivos con diferentes frecuencias. “El primer pulso de rayos X se sintoniza resonantemente para excitar localmente el oxígeno (O) de la molécula de monóxido de carbono (CO), mientras que el segundo pulso de rayos X sigue el entorno químico local del lado del carbono (C) después de unos pocos femtosegundos”, explican.

“Los cambios químicos de energía —continúan los investigadores— informan sobre el efecto de apantallamiento cuando se excita el átomo de O, y también del decaimiento por Auger que se desencadena por interacciones de electrones y la posterior fragmentación de la molécula en dos átomos separados”.

El método experimental y teórico probado en este estudio allana el camino a futuros experimentos en XFELs para comprender mejor los cambios químicos ultrarrápidos, y llegar así más cerca del sueño de resolver cambios de enlaces químicos locales en tiempo real.

El estudio se titula “Observation of site-selective chemical bond changes via ultrafast chemical shifts”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Communications. (Fuente: UAM)