Una reacción química puede comenzar y terminar mucho antes de que nuestros instrumentos convencionales sean capaces de registrar lo ocurrido. Los electrones cambian de posición, los enlaces se estiran y la molécula entera pierde su forma en apenas unos femtosegundos: millonésimas de una milmillonésima de segundo.
Un equipo internacional liderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, perteneciente al CSIC, ha conseguido reconstruir uno de esos procesos desde la perspectiva de átomos individuales. Para hacerlo, los investigadores utilizaron los pulsos ultracortos del European XFEL, una enorme instalación situada en el área de Hamburgo capaz de producir destellos de rayos X de una intensidad extraordinaria.
El experimento no muestra una reacción como si se tratara de una película tomada con una cámara microscópica. Lo que registra son las variaciones de energía de electrones arrancados de átomos concretos. A partir de esas señales y de avanzadas simulaciones cuánticas, los científicos reconstruyeron cómo una molécula absorbe luz, se deforma y termina convirtiendo su energía electrónica en vibraciones.
Dos destellos separados por una fracción diminuta de tiempo
La molécula elegida fue la 3-fluoropiridina, una estructura relativamente sencilla formada por un anillo de átomos que incluye nitrógeno y lleva un átomo de flúor unido a uno de sus carbonos. Su composición permitió observar simultáneamente dos puntos químicos con funciones muy diferentes.
El método funcionó como una cámara construida con dos flashes. Primero, un pulso de luz ultravioleta de 264 nanómetros golpeó las moléculas y las trasladó desde su estado energético normal a un estado electrónico excitado. Después, con un retraso cuidadosamente controlado, un pulso de rayos X de 1,3 kiloelectronvoltios examinó lo que había ocurrido.
Los rayos X arrancaron electrones profundamente ligados a los átomos de nitrógeno y flúor. Al medir la energía con la que salían despedidos, los investigadores pudieron averiguar cómo estaba cambiando el entorno químico local de cada átomo. El experimento se repitió modificando gradualmente la separación entre ambos pulsos hasta reconstruir la evolución completa durante varios picosegundos.
La resolución temporal fue de aproximadamente 65 femtosegundos. En ese intervalo, la luz solo recorrería alrededor de 20 micrómetros, una distancia menor que el grosor habitual de un cabello humano. Aun así, para una molécula es tiempo suficiente para que sus electrones se redistribuyan y sus núcleos comiencen a desplazarse.
La molécula se deformó para encontrar una salida
Antes de recibir el pulso ultravioleta, la 3-fluoropiridina mantiene una estructura esencialmente plana. La absorción de luz eleva uno de sus electrones hacia un estado de mayor energía y altera la distribución electrónica dentro del anillo. Esa nueva configuración desestabiliza la molécula y hace que comience a doblarse fuera de su plano original.
La deformación conduce a una intersección cónica, un punto extremadamente breve en el que dos estados electrónicos alcanzan energías similares y el movimiento de los núcleos queda fuertemente acoplado al de los electrones. Estas intersecciones funcionan como cruces de caminos moleculares: permiten que la energía pase rápidamente de un estado electrónico a otro sin necesidad de emitir luz.
Después de atravesar ese cruce, la molécula regresa a su estado electrónico fundamental. Sin embargo, no vuelve inmediatamente a la calma. La energía que antes estaba almacenada en los electrones se transforma en movimiento de los átomos, dejando la estructura en un estado “caliente” y fuertemente vibratorio.
Las mediciones permitieron asociar a esa relajación un tiempo aproximado de 1,5 picosegundos. Es decir, toda la transición desde el estado excitado hasta la aparición de las vibraciones se desarrolla en alrededor de una billonésima y media de segundo.
El nitrógeno siguió a los electrones y el flúor escuchó las vibraciones
El resultado más llamativo fue que los dos átomos observados no describían el proceso de la misma manera. Aunque formaban parte de una única molécula y estaban sometidos al mismo pulso de luz, sus señales contenían información diferente.
El nitrógeno se encuentra dentro del anillo y participa directamente en los orbitales afectados por la excitación. Su señal reflejó una combinación difícil de separar: por un lado, la redistribución de la carga electrónica; por otro, los cambios en las distancias y los ángulos entre los átomos vecinos. Era un testigo privilegiado, pero contaba varias partes de la historia al mismo tiempo.
El flúor, situado fuera del anillo y más alejado de la región donde se concentraba la excitación electrónica, se comportó de otra manera. Su señal apenas estuvo afectada directamente por el cambio de estado electrónico y respondió principalmente al movimiento estructural. Eso lo convirtió en un marcador mucho más limpio de la aparición y posterior relajación de las vibraciones.
Según explica Antonio Picón, investigador del ICMM-CSIC y coautor del trabajo, algunos átomos permiten seguir hacia dónde se desplaza la carga, mientras que otros revelan cómo vibra la molécula completa. La investigación demuestra así que no existe necesariamente un único lugar desde el que observar una reacción: cada sitio atómico puede ofrecer una versión distinta y complementaria del mismo proceso.
Una nueva forma de investigar la química impulsada por la luz
La técnica empleada se denomina espectroscopia de fotoelectrones de rayos X resuelta en el tiempo. Su principal ventaja es que combina resolución temporal con sensibilidad química localizada: puede diferenciar átomos de distintos elementos y seguir cómo cambia el entorno inmediato de cada uno.
Esto podría resultar especialmente útil para estudiar moléculas más complejas. La absorción y redistribución de energía interviene en la fotoestabilidad del ADN, en los materiales utilizados para captar luz, en las células solares, en los fotocatalizadores y en numerosos procesos biológicos. Comprender dónde se concentra la energía y cómo se transforma en movimiento permitiría diseñar moléculas capaces de canalizarla de manera más eficiente o de disiparla antes de sufrir daños.
El experimento tampoco significa que ya podamos contemplar directamente cualquier reacción átomo a átomo. La imagen final depende de mediciones indirectas, modelos teóricos y cálculos de estructura electrónica. Además, la 3-fluoropiridina es una molécula relativamente pequeña; aplicar el mismo análisis a sistemas biológicos o materiales completos será considerablemente más difícil.
Aun así, el avance cambia la pregunta que los científicos pueden formular. Ya no se trata únicamente de saber cómo evoluciona una molécula después de absorber luz, sino de preguntarle a cada átomo qué parte de esa transformación consiguió ver.
