Cómo se forman los enlaces químicos: la espectroscopia de femtosegundos hace visibles los procesos químicos

Por primera vez, un equipo de investigadores dirigido por Markus Koch, del Instituto de Física Experimental de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz), ha seguido en tiempo real cómo se combinan los átomos individuales para formar un cúmulo y qué procesos intervienen. Para ello, los investigadores aislaron primero átomos de magnesio utilizando helio superfluido y luego emplearon un pulso láser para desencadenar el proceso de formación.

Los investigadores pudieron observar la formación de este cúmulo y la transferencia de energía entre átomos individuales con una resolución temporal del orden del femtosegundo (1 femtosegundo = 1 cuatrillonésima de segundo). Los resultados se han publicado recientemente en la revista Communications Chemistry.

El "nanorrefrigerador" lleva los átomos a la posición inicial

"Normalmente, los átomos de magnesio forman instantáneamente enlaces estrechos, lo que significa que no existe una configuración inicial definida para la observación de los procesos de formación de enlaces", explica Markus Koch. Los investigadores han resuelto este problema, que suele plantearse al observar procesos químicos en tiempo real, realizando experimentos con gotitas de helio superfluido.

Estas gotitas actúan como "nanorrejillas" ultrafrías que aíslan entre sí los átomos individuales de magnesio a temperaturas extremadamente bajas de 0,4 Kelvin (= -272,75 grados Celsius o 0,4 grados Celsius por encima del cero absoluto) a una distancia de una millonésima de milímetro. "Esta configuración nos permitió iniciar la formación de cúmulos con un pulso láser y seguirla con precisión en tiempo real", explica Michael Stadlhofer, que llevó a cabo los experimentos como parte de su tesis doctoral.

La espectroscopia de femtosegundos hace visibles los procesos químicos

Los investigadores observaron los procesos desencadenados por el pulso láser mediante espectroscopia de fotoelectrones y fotoiones. Mientras los átomos de magnesio se combinaban para formar un cúmulo, se ionizaban con un segundo pulso láser. Markus Koch y sus colegas pudieron reconstruir en detalle los procesos implicados a partir de los iones formados y los electrones liberados.

Los átomos reúnen su energía

Uno de los principales descubrimientos es la agrupación de energía. Al unirse entre sí, varios átomos de magnesio transfieren la energía de excitación recibida del primer pulso láser a un único átomo del cúmulo, de modo que éste alcanza un estado energético mucho más elevado. Es la primera vez que se demuestra la agrupación de energía con resolución temporal.

Investigación básica con potencial de aplicación

"Esperamos que esta separación atómica en el interior de gotas de helio funcione también para una clase más amplia de elementos y se convierta así en un método de aplicación general en investigación básica", afirma Markus Koch. "Además, los descubrimientos sobre la agrupación de energía podrían ser relevantes para los procesos de transferencia de energía en diversas áreas de aplicación, por ejemplo en fotomedicina o en la utilización de la energía solar."