Científicos captan en tiempo real el movimiento de electrones en agua líquida en un experimento con stop-motion

WASHINGTON- Un equipo que fue dirigido por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico de Estados Unidos y que fue publicado en la Science detalla que los resultados de su experimento en el que usaron una nueva técnica basada en la observación en attosegundos (una trillonésima parte de un segundo).

Linda Young, autora principal de la investigación y miembro distinguida del Laboratorio Nacional Argonne, precisa en artículo publicado en Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), que “las reacciones químicas inducidas por la radiación que queremos estudiar son el resultado de la respuesta electrónica del objetivo que ocurre en la escala de tiempo de attosegundos”, y prosigue detallando que “hasta ahora, los químicos de la radiación sólo podían resolver eventos en la escala de tiempo de picosegundos, un millón de veces más lento que un attosegundo. Es como decir: “Nací y luego morí”. Te gustaría saber qué sucede entretanto. Eso es lo que ahora podemos hacer”.

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La nueva técnica usada en este experimento muestra la respuesta electrónica inmediata después de que un objetivo recibe un impacto de rayos X, siendo este un paso esencial para lograr comprender los efectos de la exposición a la radiación en objetos y personas, indica el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en un comunicado.

Trabajar en las escalas de tiempo en las que ocurre la acción, contínua el PNNL, posibilitará al equipo de investigación poder comprender de manera más “profundamente la química compleja inducida por la radiación”.

Los resultados obtenidos abren una nueva ventana a la comprensión de la estructura electrónica de las moléculas en fase líquida en una escala de tiempo hasta ahora inalcanzable con rayos X.

Esta investigación contó con el respaldo del Centro de Investigación de la Frontera Energética de Dinámica Interfacial en Ambientes y Materiales Radiactivos (IDREAM), patrocinado por el Departamento de Energía y con sede en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL).

”Los miembros de nuestra red de inicio de carrera participaron en el experimento y luego se unieron a nuestros equipos experimentales y teóricos completos para analizar y comprender los datos”, aseguró Carolyn Pearce, directora de IDREAM EFRC y química de PNNL. “No podríamos haber hecho esto sin las asociaciones IDREAM”, agregó Pearce.

Debido a que las partículas subatómicas se mueven muy rápido, para conseguir capturar sus acciones se requiere una sonda capaz de medir el tiempo en attosegundos.

EXPERIMENTO

En opinion de los investigadores esta investigación es el inicio de una “dirección completamente nueva para la ciencia del attosegundo”. Para poder hacer el descubrimiento, los químicos experimentales del PNNL se vincularon con físicos de Argonne y la Universidad de Chicago, así como con especialistas en espectroscopia de rayos X y físicos de aceleradores del SLAC, también con químicos teóricos de la Universidad de Washington y además de teóricos de la ciencia de los attosegundos del Centro de Hamburgo para Imágenes Ultrarrápidas y el Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), en Hamburgo, Alemania.

Durante la pandemia de COVID-19, en 2021 y en 2022, el equipo de PNNL hizo uso de técnicas que fueron desarrolladas en SLAC para “rociar una lámina ultrafina de agua pura a lo largo de la trayectoria del pulso de la bomba de rayos X”, señala el comunicado de PNNL

Emily Nienhuis, química principiante en PNNL, quien inició el proyecto como investigadora asociada postdoctoral, dijo que “necesitábamos una capa de agua agradable, plana y delgada donde pudiéramos enfocar los rayos X”, y detalla que ”esta capacidad se desarrolló en el LCLS”.

En PNNL, Nienhuis pudo demostrar que esta técnica además puede ser usada para estudiar “las soluciones concentradas específicas que son fundamentales para el IDREAM EFRC y que se investigarán en la siguiente etapa de la investigación”.

EL PASO SIGUIENTE, DEL EXPERIMENTO A LA TEORÍA

Una vez que se recopilaron los datos de rayos X, señala el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, el químico teórico Xiaosong Li y el estudiante graduado Lixin Lu de la Universidad de Washington emplearon sus conocimientos relacionados con “la interpretación de las señales de rayos X para reproducir las señales observadas en SLAC”.

Entre tanto, el equipo de CFEL, liderado por el teórico Robin Santra, “modeló la respuesta del agua líquida a los rayos X de attosegundos para verificar que la señal observada estaba efectivamente confinada a la escala de tiempo de attosegundos”, apunta el PNNL.

”Utilizando la supercomputadora Hyak de la Universidad de Washington, desarrollamos una técnica de química computacional de vanguardia que permitió la caracterización detallada de los estados cuánticos transitorios de alta energía en el agua”, explicó Xiaosong Li, quien es catedrático de química Larry R. Dalton en la Universidad de Washington y añadió que con “este avance metodológico produjo un avance fundamental en la comprensión a nivel cuántico de la transformación química ultrarrápida, con una precisión excepcional y detalles a nivel atómico”.

“La metodología que desarrollamos permite el estudio del origen y la evolución de especies reactivas producidas por procesos inducidos por la radiación, como las que se encuentran en los viajes espaciales, los tratamientos contra el cáncer, los reactores nucleares y los desechos heredados”, concluyó Linda Young.

Con información de la Agencia EFE/Pacific Northwest National Laboratory.