Investigadores del European XFEL en Alemania han logrado, por primera vez, rastrear en tiempo real el movimiento de átomos individuales durante una reacción química en fase gaseosa. Utilizando destellos extremadamente cortos de rayos X, los científicos pudieron observar la formación de una molécula de yodo (I₂) tras irradiar moléculas de diiodometano (CH₂I₂) con luz infrarroja, un proceso que implica la ruptura de dos enlaces y la creación de uno nuevo.
Además, lograron diferenciar esta reacción de otros dos caminos reaccionarios: la separación de un único átomo de yodo del diiodometano y la excitación de vibraciones de flexión en la molécula unida. Los resultados, publicados en la revista Nature Communications, aportan nuevas perspectivas sobre mecanismos de reacción fundamentales que, hasta ahora, han sido difíciles de distinguir experimentalmente.
Mecanismos de Reacción y su Importancia
Las reacciones de eliminación, en las que se forman pequeñas moléculas a partir de una más grande, son esenciales en muchos procesos químicos, desde la química atmosférica hasta la investigación sobre catalizadores. Sin embargo, el mecanismo detallado de muchas de estas reacciones, en las que varios átomos rompen y reforman sus enlaces, a menudo sigue siendo poco claro. Esto se debe a que los procesos ocurren en tiempos increíblemente cortos, medidos en femtosegundos, o millonésimas de milmillonésimas de segundo.
Se utilizó un enfoque experimental innovador en el instrumento SQS del European XFEL para visualizar estas dinámicas de reacción. Los investigadores irradiaron moléculas de diiodometano con pulsos láser infrarrojos ultracortos que desencadenaron las reacciones moleculares. Femtosegundos después, intensos destellos de rayos X rompieron las moléculas, provocando una «explosión de Coulomb» en la que los componentes atómicos se dispersaron.
Las trayectorias y velocidades de los iones fueron registradas por un dispositivo de detección conocido como microscopio de reacción COLTRIMS (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy), uno de los instrumentos de detección en la estación experimental SQS, disponible para los usuarios.
Según Artem Rudenko, investigador principal del experimento y profesor de la Universidad Estatal de Kansas, «utilizando este método, pudimos seguir con precisión cómo se ensamblan los átomos de yodo mientras se separa el grupo metileno». El análisis reveló que tanto mecanismos sincrónicos como asincrónicos contribuyen a la formación de la molécula de yodo, un hallazgo respaldado por cálculos teóricos.
De manera notable, aunque esta vía de reacción solo representa aproximadamente el 10% de los productos resultantes, los investigadores pudieron distinguirla claramente de las otras reacciones competidoras. Rebecca Boll, del instrumento SQS del European XFEL, explicó que esto fue posible gracias a la selección precisa de canales de fragmentación iónica específicos y su análisis temporal.
Los investigadores también pudieron seguir el movimiento vibracional de la molécula de yodo recién formada. Xiang Li, primer autor de la publicación y científico en el Laboratorio Nacional SLAC de Estados Unidos, comentó: «Ahora podemos observar más directamente cómo una molécula aislada se rompe y forma enlaces durante una reacción química, en tiempo real y con precisión atómica».
Este avance es un paso crucial hacia la comprensión verdadera de los procesos químicos. Estas observaciones no solo ofrecen una imagen detallada de los mecanismos de reacción, sino que también abren nuevas vías para investigar procesos químicos más complejos. En el futuro, estas técnicas se extenderán a moléculas aún más grandes y reacciones más complejas, gracias a mejoras técnicas planificadas en el láser de rayos X del European XFEL, que permitirán obtener perspectivas aún más rápidas y detalladas sobre la dinámica molecular ultrarrápida.
