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Insólito

VIDEO: Una molécula en rotación es filmada por primera vez


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Científicos han utilizado pulsos de luz láser sintonizados con precisión para filmar la rotación ultrarrápida de una molécula. Esta “película molecular” resultante rastrea 1,5 revoluciones de sulfuro de carbonilo (OCS) –una molécula en forma de barra que consta de un átomo de oxígeno, uno de carbono y uno de azufre–, que tiene lugar en 125 trillonésimas de segundo, a una resolución máxima espacio-temporal.

El equipo dirigido por Jochen Küpper, del Sincrotrón Alemán de Electrones DESY, del Centro para la Ciencia Láser de Electrones Libres (CFEL), y Arnaud Rouzée, del Instituto Max Born de Berlín, presenta sus hallazgos en la revista ‘Nature Communications’.

La física molecular siempre ha soñado con capturar el movimiento ultrarrápido de los átomos durante los procesos dinámicos en una película”, explica Küpper, también profesor en la Universidad de Hamburgo. No obstante, esto no es de ninguna manera simple, porque en el ámbito de las moléculas, normalmente se necesita radiación de alta energía con una longitud de onda del orden del tamaño de un átomo para poder ver los detalles.

Por eso, el equipo de Küpper adoptó un enfoque diferente: utilizaron dos pulsos de luz láser infrarroja que se sintonizaron con precisión entre sí y se separaron en 38 trillones de segundo (picosegundos), para establecer las moléculas de sulfuro de carbonilo girando rápidamente al unísono (es decir, coherentemente). Luego, utilizaron un pulso de láser adicional, que tiene una longitud de onda más larga, para determinar la posición de las moléculas a intervalos de alrededor de 0,2  trillonésimas de segundo cada una.

En total, los científicos tomaron 651 imágenes que cubrían un periodo y medio de rotación de la molécula. Ensambladas secuencialmente, las imágenes produjeron una película de 125 picosegundos de la rotación de la molécula. La molécula de sulfuro de carbonilo toma aproximadamente 0,000,000,000,082 segundos para completar una revolución completa.

“Sin embargo, sería erróneo pensar que su movimiento es como el de un palo giratorio –explcia Küpper–. Los procesos que observamos aquí se rigen por la mecánica cuántica. En esta escala, los objetos muy pequeños, como los átomos y las moléculas, se comportan de manera diferente a los objetos cotidianos en nuestro entorno. La posición y el momento de una molécula no se pueden determinar simultáneamente con la mayor precisión”.

Las características peculiares de la mecánica cuántica se pueden ver en varias de las muchas imágenes de la película, en las que la molécula no solo apunta en una dirección, sino en varias direcciones diferentes al mismo tiempo, cada una con una probabilidad diferente (ver por ejemplo la posición de las tres en punto en la figura).
“Son precisamente esas direcciones y probabilidades las que tomamos imágenes experimentalmente en este estudio”, agrega Rouzée. “Del hecho de que estas imágenes individuales comienzan a repetirse después de unos 82 picosegundos, podemos deducir el periodo de rotación de una molécula de sulfuro de carbonilo”, añade.

Los científicos creen que su método también puede usarse para otras moléculas y procesos, por ejemplo, para estudiar la torsión interna, es decir, la torsión de moléculas o compuestos quirales, que son compuestos que existen en dos formas –al igual que las manos derecha e izquierda de un ser humano–.

“Grabamos una película molecular de alta resolución de la rotación ultrarrápida del sulfuro de carbonilo como proyecto piloto”, dice Karamatskos, que resume el experimento. “El nivel de detalle que pudimos alcanzar indica que nuestro método podría usarse para producir películas instructivas sobre la dinámica de otros procesos y moléculas”, concluye.

 

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