Una cámara de electrones de alta velocidad es capaz de filmar una película molecular en HD

Una cámara de electrones es capaz de filmar una película molecular en HD. / Science Daily.
Una cámara de electrones es capaz de filmar una película molecular en HD. / Science Daily.

Los resultados podrían mejorar la comprensión de reacciones similares con funciones vitales en la química, como la producción de vitamina D en el cuerpo.

Una cámara de electrones de alta velocidad es capaz de filmar una película molecular en HD

Con una cámara de electrones extremadamente rápida en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, los investigadores han creado la primera película de alta definición de moléculas en forma de anillo que se abren en respuesta a la luz. Los resultados podrían mejorar nuestra comprensión de reacciones similares con funciones vitales en la química, como la producción de vitamina D en nuestros cuerpos.

Una película molecular previa de la misma reacción, producida con el láser de rayos X Coherent Light Source (LCLS) de SLAC, registró por primera vez los grandes cambios estructurales durante la reacción. Ahora, al utilizar el instrumento de difracción electrónica ultrarrápida (UED) del laboratorio, estos nuevos resultados proporcionan detalles de alta resolución que muestran, por ejemplo, cómo se rompe un enlace en el anillo y los átomos se mueven por largos períodos de tiempo.

"Los detalles de esta reacción de apertura del anillo ya se han resuelto", dijo Thomas Wolf, científico del Instituto Stanford Pulse de SLAC y de la Universidad de Stanford y líder del equipo de investigación. "El hecho de que ahora podamos medir directamente los cambios en las distancias de enlace durante las reacciones químicas nos permite hacer nuevas preguntas sobre los procesos fundamentales estimulados por la luz".

El científico de SLAC Mike Minitti, quien participó en ambos estudios, dijo: "Los resultados demuestran cómo nuestros instrumentos únicos para estudiar procesos ultrarrápidos se complementan entre sí. Donde LCLS se destaca en la captura de instantáneas con velocidades de obturación extremadamente rápidas de solo unos pocos femtosegundos, o millonésimas de Una mil millonésima de segundo, UED aumenta la resolución espacial de estas instantáneas. Este es un gran resultado, y los estudios validan los resultados de otros, lo cual es importante cuando se utilizan herramientas de medición completamente nuevas ".

El director de LCLS, Mike Dunne, dijo: "Ahora estamos poniendo el instrumento UED de SLAC a disposición de la comunidad científica, además de mejorar las capacidades extraordinarias de LCLS al duplicar su alcance de energía y transformar su tasa de repetición. La combinación de ambas herramientas nos posiciona de manera única. para permitir los mejores estudios posibles de procesos fundamentales en escalas ultra pequeñas y ultrarrápidas ".

Película molecular en HD

Esta reacción en particular se ha estudiado muchas veces antes: cuando una molécula en forma de anillo llamada 1,3-ciclohexadieno (CHD) absorbe la luz, se rompe un enlace y la molécula se desarrolla para formar la molécula casi lineal conocida como 1,3,5-hexatrieno. (HT). El proceso es un ejemplo de un libro de texto de reacciones de apertura de anillo y sirve como un modelo simplificado para estudiar los procesos impulsados ​​por la luz durante la síntesis de vitamina D.

En 2015, los investigadores estudiaron la reacción con LCLS, que resultó en la primera película molecular detallada de su tipo y reveló cómo la molécula cambió de un anillo a una forma similar a un cigarro después de ser golpeada por un flash láser. Las instantáneas, que inicialmente tenían una resolución espacial limitada, se enfocaron más a través de simulaciones por computadora.

El nuevo estudio utilizó UED, una técnica en la que los investigadores envían un haz de electrones con alta energía, medido en millones de electronvoltios (MeV), a través de una muestra, para medir con precisión las distancias entre pares de átomos. Tomar instantáneas de estas distancias a diferentes intervalos después de un flash láser inicial y rastrear cómo cambian les permite a los científicos crear una película de detención de movimiento de los cambios estructurales inducidos por la luz en la muestra.

El haz de electrones también produce señales fuertes para muestras muy diluidas, como el gas CHD utilizado en el estudio, dijo la científica del SLAC, Xijie Wang, directora del instrumento MeV-UED. "Esto nos permitió seguir la reacción de apertura del anillo durante períodos de tiempo mucho más largos que antes".

Detalles sorprendentes

Los nuevos datos revelaron varios detalles sorprendentes sobre la reacción. Mostraron que los movimientos de los átomos se aceleraron cuando se rompió el anillo CHD, ayudando a las moléculas a deshacerse del exceso de energía y acelerando su transición a la forma de HT estirada.

La película también captó cómo los dos extremos de la molécula HT se movían a medida que las moléculas se volvían más y más lineales. Estos movimientos de rotación duraron al menos un picosegundo, o una billonésima de segundo.

"Nunca hubiera pensado que estos movimientos durarían tanto", dijo Wolf. "Demuestra que la reacción no termina con la apertura del anillo y que hay un movimiento mucho más duradero en los procesos inducidos por la luz de lo que se pensaba".

Un método con potencial

Los científicos también utilizaron sus datos experimentales para validar un enfoque computacional recientemente desarrollado para incluir los movimientos de los núcleos atómicos en simulaciones de procesos químicos.

"UED nos proporcionó datos que tienen la alta resolución espacial necesaria para probar estos métodos", dijo el profesor de química de Stanford e investigador de PULSE, Todd Martínez, cuyo grupo lideró el análisis computacional. "Este documento es la prueba más directa de nuestros métodos, y nuestros resultados están en excelente acuerdo con el experimento".

Además de mejorar el poder predictivo de las simulaciones por computadora, los resultados ayudarán a profundizar nuestra comprensión de las reacciones químicas fundamentales de la vida, Wolf dijo: "Tenemos muchas esperanzas de que nuestro método allanará el camino para estudios de moléculas más complejas que están aún más cerca de Los utilizados en los procesos de la vida ".   @mundiario

 

 

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