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(noticias nanowerk) En un experimento similar a la fotografía stop-motion, los científicos aislaron el movimiento energético de un electrón y al mismo tiempo “congelaron” el movimiento del átomo mucho más grande alrededor del cual orbita en una muestra de agua líquida.
Los resultados, publicados en la revista Ciencia (“Espectroscopia de rayos X de muestra de attosegundos de bomba de attosegundos de agua líquida”) proporcionan una nueva ventana a la estructura electrónica de las moléculas en la fase líquida en una escala de tiempo previamente inalcanzable con los rayos X. La nueva técnica muestra la respuesta electrónica inmediata cuando un objetivo es alcanzado por rayos X, un paso importante para comprender los efectos de la exposición a la radiación en objetos y personas.
«Las reacciones químicas provocadas por la radiación que queremos estudiar son el resultado de la reacción electrónica del objetivo, que ocurre en una escala de tiempo de attosegundos», dijo Linda Young, autora principal de la investigación y miembro distinguido del Laboratorio Nacional Argonne. “Hasta ahora, los químicos de la radiación sólo han podido 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.» Quieres saber qué pasa en el medio. Esto es lo que podemos hacer ahora”.
Un grupo multiinstitucional de científicos de varios laboratorios nacionales del Departamento de Energía y universidades de Estados Unidos y Alemania combinaron experimentos y teoría para revelar en tiempo real las consecuencias cuando la radiación ionizante de una fuente de rayos X incide en la materia.
Trabajar en las escalas de tiempo en las que ocurre la acción permitirá al equipo de investigación comprender mejor la compleja química inducida por la radiación. De hecho, estos investigadores se unieron inicialmente para desarrollar las herramientas necesarias para comprender los efectos de la exposición prolongada a la radiación ionizante en las sustancias químicas contenidas en los desechos nucleares. La investigación cuenta con el apoyo del Centro de Investigación de la Frontera Energética de Dinámica Interfacial en Ambientes y Materiales Radiactivos (IDREAM), financiado 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», dijo Carolyn Pearce, directora de IDREAM EFRC y química de PNNL. «No podríamos haber hecho esto sin las asociaciones de IDREAM».
Del Premio Nobel al campo
Las partículas subatómicas se mueven tan rápido que detectar sus movimientos requiere una sonda que pueda medir el tiempo en attosegundos. Este período de tiempo es tan pequeño que hay más attosegundos en un segundo que segundos en la historia del universo.
La investigación actual se basa en la nueva ciencia de la física de attosegundos, que recibió el Premio Nobel de Física en 2023. Los pulsos de rayos X de attosegundos sólo están disponibles en unas pocas instalaciones especializadas en todo el mundo. Este equipo de investigación llevó a cabo su trabajo experimental en la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en Menlo Park, California, donde el equipo local fue pionero en el desarrollo de láseres de rayos X de electrones libres de attosegundos.
«Los experimentos de attosegundos resueltos en el tiempo son uno de los desarrollos de investigación y desarrollo más importantes en la fuente de luz coherente Linac», dijo Ago Marinelli del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, quien junto con James Cryan dirigió el desarrollo de la bomba de pares de attosegundos de rayos X sincronizados. /se utilizaron pulsos de sonda utilizados en este experimento. «Es apasionante ver cómo estos avances se aplican a nuevos tipos de experimentos y llevan la ciencia del attosegundo en nuevas direcciones».
La técnica desarrollada en este estudio, espectroscopia de absorción de attosegundos de rayos X puramente transitoria en líquidos, les permitió «observar» la transición de los electrones excitados por rayos X a un estado excitado, todo antes de que el núcleo atómico más voluminoso tuviera tiempo de expandirse y moverse. Eligieron agua líquida como caso de prueba para un experimento.
«Ahora tenemos una herramienta que básicamente puede rastrear el movimiento de los electrones y observar las moléculas recién ionizadas a medida que se forman en tiempo real», dijo Young, quien también es profesor en el Departamento de Física y el Instituto James Franck de la Universidad de Chicago. .
Estos resultados recientemente informados resuelven un debate científico de larga data sobre si las señales de rayos X observadas en experimentos anteriores son el resultado de diferentes formas estructurales o «motivos» de la dinámica del átomo de agua o de hidrógeno. Estos experimentos demuestran de manera concluyente que estas señales no son evidencia de dos motivos estructurales en el agua líquida circundante.
«Básicamente, lo que la gente vio en experimentos anteriores fue la borrosidad causada por el movimiento de los átomos de hidrógeno», dijo Young. «Pudimos eliminar este movimiento tomando todas nuestras grabaciones antes de que los átomos tuvieran tiempo de moverse».
De reacciones simples a complejas
Los investigadores ven el estudio actual como el comienzo de una dirección completamente nueva para la ciencia de los attosegundos.
Para hacer el descubrimiento, los químicos experimentales del PNNL trabajaron con físicos de Argonne y la Universidad de Chicago, especialistas en espectroscopía de rayos X y físicos de aceleradores del SLAC, químicos teóricos de la Universidad de Washington y teóricos de la ciencia del attosegundo del Centro de Imágenes Ultrarrápidas de Hamburgo en el Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL), Sincrotrón de Electrones Alemán (DESY), en Hamburgo, Alemania.
Durante la pandemia mundial de 2021 y 2022, el equipo de PNNL utilizó técnicas desarrolladas en SLAC para rociar una capa ultrafina de agua pura a lo largo de la trayectoria del pulso de la bomba de rayos X.
«Necesitábamos una superficie de agua bonita, plana y delgada en la que enfocar los rayos X», dijo Emily Nienhuis, una joven química del PNNL que inició el proyecto como investigadora postdoctoral. «Esta capacidad fue desarrollada en LCLS». En PNNL, Nienhuis demostró que esta técnica también se puede utilizar para estudiar las soluciones concentradas específicas que son fundamentales para el IDREAM EFRC y se estudiarán en la siguiente fase de investigación.
Del experimento a la teoría
Después de recopilar los datos de rayos X, el químico teórico Xiaosong Li y el estudiante graduado Lixin Lu de la Universidad de Washington aplicaron sus conocimientos sobre interpretación de señales de rayos X para reproducir las señales observadas en SLAC. El equipo de CFEL, dirigido por el teórico Robin Santra, modeló la respuesta del agua líquida a los rayos X de attosegundos para confirmar que la señal observada estaba efectivamente confinada a la escala de tiempo de attosegundos.
«Utilizando la supercomputadora Hyak de la Universidad de Washington, hemos desarrollado una técnica de química computacional de última generación que permite la caracterización detallada de los estados cuánticos transitorios de alta energía en el agua», dijo Li, titular del Larry R. Cátedra Dalton de Química en la Universidad de Washington y miembro de laboratorio del PNNL. «Este avance metodológico proporcionó un avance significativo en la comprensión de las transformaciones químicas ultrarrápidas a nivel cuántico con una precisión y detalle excepcionales a nivel atómico».
El investigador principal, Young, inició y supervisó la implementación del estudio, que fue dirigido localmente por el primer autor e investigador postdoctoral Shuai Li. El físico Gilles Doumy, también de Argonne, y el estudiante de posgrado Kai Li de la Universidad de Chicago formaron parte del equipo que realizó los experimentos y analizó los datos. El Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, ayudó a caracterizar el objetivo del chorro de hoja de agua.
Juntos, el equipo de investigación pudo observar el movimiento en tiempo real de los electrones en agua líquida mientras el resto del mundo permanecía quieto.
«La metodología que hemos desarrollado nos permite estudiar el origen y la evolución de especies reactivas que surgen de 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 viejos», dijo Young.
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