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Durante las reacciones químicas, los átomos de las sustancias que reaccionan rompen sus enlaces y se reorganizan, formando nuevos productos químicos. Este proceso implica el movimiento tanto de electrones (partículas cargadas negativamente) como de núcleos (las partes centrales con carga positiva de los átomos). Los electrones de valencia se comparten y se reorganizan entre diferentes átomos, creando nuevos enlaces.

Los movimientos de electrones y núcleos durante las reacciones químicas son increíblemente rápidos, en muchos casos durando solo femtosegundos (millonésimas de milmillonésimas de segundo). Sin embargo, rastrear y comprender de manera fiable estos movimientos podría arrojar nueva luz sobre cómo se forman moléculas específicas, así como sobre los fundamentos de los fenómenos de la mecánica cuántica.

Investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghái han presentado recientemente un nuevo enfoque para observar las reacciones químicas a medida que se desarrollan, rastreando con precisión el movimiento de electrones y núcleos atómicos cuando una molécula se rompe. Esta estrategia, descrita en un artículo publicado en Physical Review Letters, se utilizó con éxito para estudiar la fotodisociación del amoníaco (NH₃), el proceso en el que una molécula de NH₃ absorbe luz y se descompone en fragmentos más pequeños.

«La investigación de la dinámica electrónica es de gran importancia para el avance de la física fundamental y para la investigación aplicada en ciencia de materiales y química», declaró Dao Xiang, autor principal del estudio, a Phys.org. «Con la llegada de la tecnología de attosegundos, galardonada con el Premio Nobel, la exploración de la dinámica electrónica ultrarrápida ha entrado en una nueva era».

Rastrear el movimiento de los electrones en el espacio ha sido un objetivo constante en diversos campos científicos. Si bien las técnicas de difracción ultrarrápida se utilizan ampliamente para estudiar la dinámica molecular en el espacio real, hasta ahora han demostrado ser ineficaces para el seguimiento preciso de los movimientos de los electrones.

«Gracias a los recientes avances en los métodos de difracción de electrones, hemos logrado mejoras simultáneas tanto en la resolución temporal como espacial a un nivel excepcional», afirmó Xiang.

«Por lo tanto, es un paso significativo avanzar hacia la obtención de imágenes del espacio real de la dinámica electrónica. Este esfuerzo no solo impulsará el progreso metodológico fundamental en la difracción de electrones para sondear el movimiento electrónico, sino que también profundizará nuestra comprensión de la dinámica electrónica».

Seguimiento de la dinámica de los electrones de valencia y el hidrógeno en el amoníaco

Xiang y sus colegas introdujeron una nueva metodología prometedora para rastrear la dinámica de los electrones de valencia y el hidrógeno, que se basa en las mejoras recientemente demostradas en las técnicas de difracción. Para probar el potencial de su enfoque, lo utilizaron para observar los movimientos de los electrones y el hidrógeno en las moléculas de NH₃ durante su fotodisociación.

«Utilizamos un pulso láser de aproximadamente 200 nm para excitar las moléculas de NH₃ a un estado electrónico excitado», explicó Xiang. «La dinámica electrónica y nuclear acoplada en la fotoexcitación de las moléculas de NH₃ se investiga mediante difracción de electrones ultrarrápida (UED), donde un pulso de electrones de MeV retrasado se dispersa por el potencial de Coulomb al interactuar con las moléculas objetivo, y el patrón de difracción registrado por el detector codifica la densidad de carga y la información estructural de las moléculas objetivo.

«Realizamos el análisis de la función de distribución de pares de carga (CPDF) a la intensidad de difracción experimental, lo que permite la obtención de imágenes simultáneas de los electrones de valencia y la dinámica del hidrógeno».

Los investigadores combinaron este análisis con cálculos de la intensidad de difracción. Esto les permitió visualizar por separado la evolución dinámica de los pares de carga electrón-electrón, núcleo-núcleo y electrón-núcleo durante la fotodisociación de NH₃. Utilizando UED, el equipo también pudo capturar la densidad de los electrones y la dinámica estructural de los núcleos en tiempo real.

«La alta resolución espacio-temporal y la alta relación señal-ruido de nuestro montaje experimental UED permitieron la obtención de imágenes del movimiento del hidrógeno, que se sabe que es un desafío debido a su baja sección transversal de dispersión y su rápido movimiento», dijo Xiang. «Desencadenado por el pulso de bombeo, un electrón en el orbital par solitario del átomo de N se excita al orbital sigma anti-enlazante N-H, lo que provoca el movimiento de paraguas de NH₃ y la disociación N-H».

El enfoque experimental de Xiang y sus colegas les permitió rastrear simultáneamente los movimientos de los electrones de valencia y los núcleos en el espacio real. Una novedad de su trabajo es el uso del análisis CPDF, que les permitió observar simultáneamente la dinámica de los electrones y los núcleos, superando las limitaciones de las herramientas de análisis anteriores que se centraban únicamente en los movimientos de los átomos.

«La gran proporción de electrones de valencia en NH₃ hace que la densidad electrónica sea muy diferente de la predicha por el modelo de átomo independiente», dijo Xiang. «Nuestro análisis reveló con éxito la abundante dinámica electrónica codificada en la señal UED, incluida la transición orbital electrónica, la dinámica de la evolución de la densidad electrónica y la correlación electrón-electrón».

Una nueva herramienta para la química y la ciencia cuántica

Este reciente estudio demuestra el potencial de UED para estudiar los fundamentos de reacciones químicas específicas. Aparte de la fotodisociación de NH₃, su montaje experimental también se utiliza para estudiar otras moléculas, lo que podría generar nuevas perspectivas sobre diversos procesos químicos y físicos.

«Nuestro trabajo lleva al límite la UED para desentrañar la señal relativamente sutil, que a menudo está eclipsada por las señales de dispersión más pronunciadas contribuidas por el cambio estructural de los átomos pesados», dijo Xiang.

En el futuro, el enfoque basado en UED introducido por este grupo de investigación también podría combinarse con otras técnicas de alta precisión, como la difracción de rayos X ultrarrápida y la espectroscopia de attosegundos. Colectivamente, estas técnicas podrían utilizarse para capturar diversos procesos rápidos e invisibles con aún mayor detalle.

«Ahora extenderemos nuestra metodología a otros sistemas moleculares, demostrando la capacidad de la difracción de electrones para detectar firmas de la reorganización de los electrones de valencia incluso en moléculas orgánicas complejas», añadió Xiang.

«Posteriormente, avanzaremos en las técnicas para extraer información electrónica espacial con el fin de obtener la imagen más completa del espacio real de los electrones. En última instancia, a través de la mejora y actualización continuas de nuestra instrumentación, impulsaremos progresivamente los estudios de difracción de electrones al dominio temporal de attosegundos».

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