Los electrones de valencia, ubicados en la capa más externa de un átomo, desempeñan un papel importante en la conducción de reacciones químicas y en la formación de enlaces con otros átomos.
Pero imaginar estas partículas mientras realizan este trabajo es complicado. No solo son increíblemente pequeños los electrones de valencia, sino que también forman enlaces químicos en femtosegundos, es decir, en meras cuatrillonésimas de segundo.
Ahora, un experimento en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía ha combinado, por primera vez, tecnología de rayos X avanzada con simulaciones y teorías de vanguardia para fotografiar el impacto del movimiento de un electrón de valencia en tiempo real a lo largo de una reacción química.
Utilizando pulsos de rayos X extremadamente brillantes del Linac Coherent Light Source (LCLS) de SLAC, un equipo multiinstitucional rastreó un solo electrón de valencia mientras guiaba la disociación del hidrógeno de una molécula de amoníaco.
Los resultados, publicados en la revista Cartas de Revisión Física, podría ayudar a los científicos tanto a comprender mejor la química a un nivel fundamental como a controlar mejor los resultados de las reacciones químicas. Ese conocimiento, a su vez, podría ser aprovechado para diseñar materiales y tecnologías de próxima generación.
Rastreando un electrón de valencia durante una reacción
Los científicos han intentado durante años rastrear los movimientos de un solo electrón a lo largo de una reacción química. Sin embargo, imagina este viaje ha sido esquivo en varios niveles, ya que ha sido difícil aislar electrones individuales de los muchos electrones dentro de un átomo, y también ha sido imposible hacerlo en la extremadamente rápida escala de tiempo en la que ocurren las reacciones químicas.
En SLAC, un equipo de investigación decidió probar un nuevo enfoque que involucraba tanto la teoría como experimentos. Usando el poder de LCLS, un láser de rayos X, utilizaron la dispersión de rayos X resolvente en el tiempo, una forma de imagen a nivel atómico y en femtosegundos que es lo suficientemente sensible como para rastrear la distribución de electrones y combinaron la técnica con simulaciones avanzadas y teoría.
El equipo fue dirigido por Ian Gabalski, un estudiante de doctorado en la Universidad de Stanford, el profesor Philip Bucksbaum en el Instituto PULSE de Stanford, y Nanna List, una profesora asistente de química teórica en el KTH Royal Institute of Technology, Suecia, y en la Universidad de Birmingham, Reino Unido. Gabalski dirigió el experimento y el análisis de datos, mientras que List proporcionó la teoría y las simulaciones que tanto guiaron la elección de la reacción como luego proporcionaron la comparación clave necesaria para establecer que el experimento había capturado efectivamente la reorganización de electrones de valencia.
Para rastrear el impacto del movimiento de electrones, el equipo creó un recinto de amoníaco de alta densidad y lo excitó con un láser ultravioleta. A medida que el láser pasaba a través del gas, los rayos X de LCLS impactaron en los electrones y se dispersaron de nuevo. "Y todo esto ocurre en el transcurso de 500 femtosegundos", dijo Gabalski.
En la mayoría de las moléculas, los electrones del núcleo, que están fuertemente unidos a los átomos, superan en número a los electrones de valencia externos. Pero en moléculas pequeñas y ligeras como el amoníaco, que consiste en un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno, los electrones de valencia superan con creces a los electrones del núcleo. Eso significa que la señal de dispersión de rayos X de los electrones de valencia es lo suficientemente fuerte como para rastrearlos y 'ver' cómo se movieron, mientras que también se infieren las posiciones de los átomos.
Los científicos ya sabían que el amoníaco fotoexitado evoluciona de una estructura en la que los átomos de nitrógeno e hidrógeno forman una pirámide a una en la que todos los átomos se encuentran en un plano. Eventualmente, uno de los hidrógenos se separa de esta geometría plana y fragmenta la molécula. Con su técnica de dispersión de rayos X, los investigadores pudieron imaginar el movimiento de electrones que impulsó este rearrangement nuclear.
Los cálculos de List fueron clave para interpretar los datos. "Normalmente tenemos que inferir cómo se mueven los electrones de valencia durante una reacción en lugar de verlos directamente, pero aquí pudimos observar realmente cómo se desarrollaba su reorganización a través de mediciones directas", dijo List. "Fue una colaboración muy buena entre la teoría y el experimento."
Siguiendo diferentes rutas de reacciones químicas
Rastrear el movimiento de los electrones de valencia también proporciona una ventana a los diferentes caminos que pueden tomar las reacciones químicas, impulsadas por el movimiento electrónico.
"Si estás tratando de sintetizar una molécula para un nuevo fármaco o material, esas reacciones químicas siempre se ramificarán en vías tanto deseadas como no deseadas," dijo Gabalski. "Cuando no va en la dirección que deseas, crea subproductos. Así que, si entiendes cómo funciona esto, entonces puedes averiguar cómo dirigir esa reacción en la dirección que quieres. Podría ser una herramienta muy poderosa para la química en general."
El equipo espera continuar refinando sus técnicas para captar imágenes aún mejores, especialmente con haces de rayos X aún más potentes después de la reciente actualización del LCLS.
"Podíamos ver estas señales de electrones de valencia en el mar de fondo de electrones de núcleo, lo que abre muchas nuevas avenidas", dijo List. "Fue una prueba de concepto que nos ha impulsado a intentar ver cosas que no hemos podido ver antes."
