La primera «foto fija» de los átomos en el agua líquida

Por primera vez se observan electrones moviéndose en tiempo real en agua líquida; los resultados abren un nuevo campo de la física experimental

En las carreras de 100 metros se toma un foto para capturar el instante en el que los corredores pasan por la línea de meta para decidir quién es el ganador en caso de duda. En un experimento similar, pero a la escala de los átomos, los científicos han aislado el movimiento energético de un electrón «congelando» el movimiento de un átomo mucho mayor que orbita en una muestra de agua líquida.

A esta escala, la luz visible no sirve para ver los componentes más diminutos de la materia, son necesarios rayos X de alta intensidad. Los resultados del experimento, publicados hoy en la revista Science, abren una nueva ventana a la estructura electrónica de las moléculas en fase líquida en una escala de tiempo hasta ahora inalcanzable con rayos X. La nueva técnica revela la respuesta electrónica inmediata cuando un objetivo recibe un impacto de rayos X, un paso importante para comprender los efectos de la exposición a la radiación en objetos y personas.

«Las reacciones químicas inducidas por la radiación que queremos estudiar son el resultado de la respuesta electrónica del objeto que se produce en la escala de tiempo de los attosegundos», explica Linda Young, autora principal de la investigación y Miembro Distinguido del Laboratorio Nacional Argonne. Un attosegundo es una unidad de tiempo equivalente a la trillonésima parte de un segundo, «Hasta ahora, los radioquímicos sólo podían resolver sucesos en la escala de picosegundos, un millón de veces más lenta que un attosegundo. Es como decir ‘nací y luego morí’. Te gustaría saber qué ocurre entre medias. Eso es lo que ahora podemos hacer».

Un grupo de científicos de varios laboratorios nacionales del Departamento de Energía y universidades de EE.UU. y Alemania combinaron experimentos y teoría para revelar en tiempo real las consecuencias cuando la radiación ionizante de una fuente de rayos X choca con la materia.

Trabajar en las escalas de tiempo en las que se produce la acción permitirá al equipo de investigación comprender más profundamente la compleja química inducida por la radiación. De hecho, estos investigadores se unieron inicialmente para desarrollar las herramientas necesarias para comprender el efecto de la exposición prolongada a la radiación ionizante sobre las sustancias químicas que se encuentran en los residuos nucleares. La investigación cuenta con el apoyo del Centro de Investigación de la Frontera de la Energía sobre Dinámica Interfacial en Entornos y Materiales Radiactivos (IDREAM), patrocinado por el Departamento de Energía y con sede en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL).

«Miembros de nuestra red de investigadores noveles 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 del IDREAM EFRC y química del PNNL. «No podríamos haberlo hecho sin las asociaciones de IDREAM».

Del Premio Nobel al laboratorio

Las partículas subatómicas se mueven tan rápido que captar sus acciones requiere una sonda capaz de medir el tiempo en attosegundos, un marco temporal tan pequeño que hay más attosegundos en un segundo que segundos ha habido en la historia del universo.

La investigación actual se basa en la nueva ciencia de la física de attosegundos, reconocida con el Premio Nobel de Física 2023. Los pulsos de rayos X de attosegundos sólo están disponibles en un puñado de instalaciones especializadas de todo el mundo. Este equipo de investigación llevó a cabo su trabajo experimental en la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS), situada en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, en Menlo Park, California, donde el equipo local fue pionero en el desarrollo de láseres de electrones libres de rayos X de attosegundos.

«Los experimentos de attosegundos resueltos en el tiempo son uno de los principales desarrollos de I+D de la Fuente de Luz Coherente Linac», afirma Ago Marinelli, del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, quien, junto con James Cryan, dirigió el desarrollo del par sincronizado de pulsos de bomba/sonda de rayos X de attosegundos que se utilizó en este experimento. «Es emocionante ver cómo estos desarrollos se aplican a nuevos tipos de experimentos y llevan la ciencia de attosegundos hacia nuevas direcciones».

La técnica desarrollada en este estudio, la espectroscopia de absorción transitoria de attosegundos de rayos X en líquidos, les permitió «observar» los electrones energizados por rayos X a medida que pasan a un estado excitado, todo ello antes de que el núcleo atómico más voluminoso tenga tiempo de moverse. Eligieron el agua líquida como caso de prueba para un experimento.

«Ahora disponemos de una herramienta con la que, en principio, se puede seguir el movimiento de los electrones y ver en tiempo real cómo se forman las moléculas recién ionizadas», explica Young, que también es profesor del Departamento de Física y del Instituto James Franck de la Universidad de Chicago.

Estos nuevos hallazgos resuelven un antiguo debate científico sobre si las señales de rayos X observadas en experimentos anteriores son el resultado de diferentes formas estructurales, o «motivos», del agua o de la dinámica de los átomos de hidrógeno. Estos experimentos demuestran de forma concluyente que esas señales no son prueba de la existencia de dos motivos estructurales en el agua líquida ambiental.

«Básicamente, lo que se veía en experimentos anteriores era el desenfoque causado por el movimiento de los átomos de hidrógeno», explica Young. «Pudimos eliminar ese movimiento realizando toda nuestra grabación antes de que los átomos tuvieran tiempo de moverse».

De las reacciones simples a las complejas

Los investigadores ven el estudio actual como el comienzo de una nueva dirección para la ciencia de los attosegundos.

Para realizar el descubrimiento, los químicos experimentales del PNNL se asociaron con físicos de Argonne y la Universidad de Chicago, especialistas en espectroscopia de rayos X y físicos de aceleradores del SLAC, químicos teóricos de la Universidad de Washington y teóricos de la ciencia de attosegundos del Centro de Imágenes Ultrarrápidas de Hamburgo y el Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres (CFEL), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), en Hamburgo, Alemania.

Durante la pandemia mundial, en 2021 y hasta 2022, el equipo del PNNL utilizó técnicas desarrolladas en el SLAC para rociar una lámina ultrafina de agua pura a través de la trayectoria del pulso de la bomba de rayos X.

«Necesitábamos una lámina de agua plana y fina en la que pudiéramos enfocar los rayos X», explica Emily Nienhuis, química del PNNL, que comenzó el proyecto como investigadora postdoctoral asociada. «Esta capacidad se desarrolló en el LCLS». En el PNNL, Nienhuis demostró que esta técnica también puede utilizarse para estudiar las soluciones concentradas específicas que son fundamentales para el EFRC IDREAM y que se investigarán en la siguiente fase de la investigación.

Del experimento a la teoría

Una vez recopilados los datos de rayos X, el químico teórico Xiaosong Li y la estudiante de posgrado Lixin Lu, de la Universidad de Washington, aplicaron sus conocimientos de interpretación de las señales de rayos X para reproducir las señales observadas en el SLAC. El equipo del CFEL, dirigido por el teórico Robin Santra, modelizó la respuesta del agua líquida a los rayos X de attosegundos para verificar que la señal observada se limitaba efectivamente a la escala de tiempo de los attosegundos.

«Utilizando el superordenador Hyak de la Universidad de Washington, desarrollamos una técnica química computacional de vanguardia que permitió la caracterización detallada de los estados cuánticos transitorios de alta energía en el agua», declaró Li, titular de la Cátedra Larry R. Dalton de Química de la Universidad de Washington y miembro del Laboratorio del PNNL. «Este avance metodológico supuso un avance fundamental en la comprensión a nivel cuántico de la transformación química ultrarrápida, con una precisión y un detalle a nivel atómico excepcionales».

El investigador principal Young originó el estudio y supervisó su ejecución, que fue dirigida in situ por el primer autor y postdoc Shuai Li. El físico Gilles Doumy, también de Argonne, y el estudiante de postgrado 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 usuaria de la Oficina de Ciencia del DOE, ayudó a caracterizar el objetivo del chorro de lámina de agua.

Juntos, el equipo de investigación pudo observar en tiempo real el movimiento de los electrones en el agua líquida mientras el resto del mundo permanecía inmóvil.

«La metodología que hemos desarrollado permite estudiar el origen y la evolución de las especies reactivas producidas por procesos inducidos por la radiación, como los que se dan en los viajes espaciales, los tratamientos contra el cáncer, los reactores nucleares y los residuos heredados», explica Young.

REFERENCIA

Attosecond-pump attosecond-probe x-ray spectroscopy of liquid water

Foto: LOS CIENTÍFICOS UTILIZARON UN PAR SINCRONIZADO DE PULSOS DE RAYOS X DE ATTOSEGUNDOS (AQUÍ EN ROSA Y VERDE) DE UN LÁSER DE ELECTRONES LIBRES DE RAYOS X PARA ESTUDIAR LA RESPUESTA ENERGÉTICA DE LOS ELECTRONES (ORO) EN EL AGUA LÍQUIDA A ESCALA DE TIEMPO DE ATTOSEGUNDOS, MIENTRAS LOS ÁTOMOS DE HIDRÓGENO (BLANCO) Y OXÍGENO (ROJO) ESTÁN «CONGELADOS» EN EL TIEMPO. CRÉDITO: NATHAN JOHNSON | PACIFIC NORTHWEST NATIONAL LABORATORY