Investigadores observam o desenrolar da reação química, átomo a átomo
Um estudo sugere uma nova forma de acompanhar a dinâmica eletrónica e vibracional em tempo real
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Os investigadores conseguiram captar a forma como uma molécula redistribui a energia após absorver luz, diferenciando os papéis de cada átomo no processo. Utilizaram flashes de raios X do European XFEL para demonstrar que diferentes átomos da mesma molécula podem revelar aspetos totalmente distintos do processo. O estudo fornece provas claras de que a excitação pela luz pode aumentar a sensibilidade de um átomo ao movimento dos átomos vizinhos. O novo método para acompanhar reações químicas ultrarrápidas à escala atómica e em tempo real pode ajudar a compreender a fotoestabilidade no ADN, o fluxo de energia em materiais captadores de luz e outros processos fundamentais impulsionados pela luz.
A equipa investigou a 3-fluoropiridina, uma pequena molécula em forma de anel. Quando a molécula absorve luz, como um pulso curto de um laser ultravioleta, é promovida para um estado eletronicamente excitado e distorce-se rapidamente, afastando-se da sua forma plana original. Em seguida, passa por uma chamada «intersecção cónica»: um ponto de passagem de curta duração, mas crucial, onde os movimentos dos eletrões e dos núcleos dos átomos ficam fortemente acoplados. Após este ponto, a molécula regressa ao estado fundamental. Nesse momento, a energia eletrónica é convertida em vibrações. Os investigadores descobriram que esta conversão deixa «impressões digitais» distintas em diferentes sítios atómicos: o átomo de flúor atua como um marcador claro do relaxamento vibracional, enquanto o átomo de azoto, que está mais diretamente envolvido na excitação, reflete uma resposta entrelaçada de redistribuição de eletrões e movimento estrutural. «Podemos agora ver que nem todos os sítios atómicos contam a mesma história nos sinais que captamos dos nossos impulsos de raios X», afirma Antonio Picón, do Instituto de Ciência dos Materiais de Madrid do Conselho Superior de Investigações Científicas (ICMM-CSIC), coautor do estudo. «Alguns átomos indicam para onde a carga se desloca, enquanto outros revelam como a molécula inteira vibra.»
Para observar este processo, a equipa utilizou espectroscopia fotoelétrica de raios X resolvida no tempo (tr-XPS) no instrumento Small Quantum Systems (SQS) do European XFEL. Um pulso de laser ultravioleta excitou primeiro as moléculas e, em seguida, um pulso de raios X suaves, com um atraso preciso, ionizou-as, removendo eletrões fortemente ligados dos átomos de azoto ou de flúor. Ao medir a energia destes eletrões emitidos com muitos atrasos temporais diferentes, os cientistas reconstruíram a forma como o ambiente químico local evoluiu ao longo de apenas alguns picossegundos (trilionésimos de segundo). Para interpretar os dados, a equipa desenvolveu simulações e modelos avançados.
Este trabalho demonstra a capacidade dos pulsos de raios X ultracurtos e de alto brilho do European XFEL para desvendar os movimentos acoplados mais rápidos na matéria. Para além desta molécula em particular, a abordagem pode, de um modo geral, ser aplicada para analisar como a luz desencadeia alterações estruturais, com potencial para investigar sistemas cada vez mais complexos — desde moléculas orgânicas funcionais até blocos de construção biomoleculares e materiais energéticos. «Foi para isto que o European XFEL foi construído: observar a mudança química onde ela começa, em locais atómicos específicos e na sua escala de tempo natural», afirma Daniel Rivas, antigo cientista de instrumentos, agora cientista convidado na SQS e coautor do estudo. «Ao combinar a sensibilidade em múltiplos locais com a resolução na ordem dos femtossegundos, estamos a abrir uma nova janela para os mecanismos microscópicos que regem a fotoquímica.»
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