martes, 24 de marzo de 2015

Primer vistazo al nacimiento de un enlace químico

Los científicos han conseguido la primera visión de un estado de transición en el que dos átomos comienzan a formar un enlace débil de camino a convertirse en una molécula. Este avance fundamental, que siempre se ha creído imposible de ver, tendrá un profundo impacto en la comprensión de cómo se llevan a cabo las reacciones químicas, y en los esfuerzos para diseñar reacciones que generen energía, crear nuevos productos y fertilizar los cultivos de manera más eficiente.
Esta ilustración muestra los átomos que forman un enlace provisional, un momento capturado por primera vez en los experimentos con láser de rayos X en el Laboratorio SLAC National Accelerator. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory.
Los científicos lo han conseguido utilizando un láser de rayos X del Departamento de energía del SLAC National Accelerator Laboratory, y este avance fundamental fue reportado el 12 de febrero en Science Express.

"Esto es la esencia misma de toda química. Es lo que consideramos el Santo Grial, porque es lo que controla la reactividad química", declaró Anders Nilsson, profesor en el Centro SLAC/Stanford SUNCAT para Interface Science and Catalysis en la Universidad de Estocolmo, que dirigió el investigación. "Pero debido a las pocas moléculas que habitan este estado de transición en un determinado momento, nadie pensaba que fuésemos capaces de verlo."

Brillantes pulsos láser para lograr lo imposible

Los experimentos se llevaron a cabo con el Linac Coherent Light Source (LCLS) del SLAC. Su brillante y estroboscópico pulso láser de rayos X es lo suficientemente corto como para iluminar los átomos y las moléculas y lo suficientemente rápido para ver las reacciones químicas se desarrollan de una manera nunca antes posible.

Los investigadores utilizaron el LCLS para estudiar la misma reacción que neutraliza el monóxido de carbono (CO) de un convertidor catalítico de los automóviles. La reacción tiene lugar en la superficie de un catalizador, el cual atrapa los átomos de CO y de oxígeno y los mantiene unidos de modo que se emparejen más fácilmente para formar el dióxido de carbono.

En estos experimentos del SLAC, unieron CO y átomos de oxígeno en la superficie de un catalizador de rutenio, y consiguieron reacciones con un pulso de un láser óptico. El pulso calienta el catalizador a 2.000 grados Kelvin (1.727 ºC), y establece la vibración química conjunta, aumentando en gran medida la posibilidad de que se golpeen entre sí y su conectividad.

El equipo fue capaz de observar este proceso con pulsos láser de rayos X del LCLS, capaces de detectar cambios en la distribución de los electrones de los átomos --signos sutiles de la formación de enlaces-- que fueron ocurriendo en cuestión de femtosegundos, o cuatrillones de segundo.

"En primer lugar, se activan los átomos de oxígeno, y un poco más tarde, se activa el monóxido de carbono", explica Nilsson. "Empiezan a vibrar y a moverse un poco. Luego, después de aproximadamente una billonésima de segundo, empiezan a colisionar y a formar los estados de transición."

'Canicas rodantes cuesta arriba'

Los investigadores se sorprendieron al ver tantos reactivos entrando en estado de transición, e igualmente sorprendido al descubrir que sólo una pequeña fracción de ellos pasan a formar dióxido de carbono estable. El resto se descomponen de nuevo.

"Es como si uno lanzara canicas hacia arriba de una colina, y la mayoría de ellas vuelven de nuevo hacia abajo", dijo Nilsson. "Lo que estamos viendo es que tras muchos intentos, muy pocas son las reacciones que alcanzan el producto final. Nos queda mucho por entender sobre el detalle de lo que hemos visto aquí."

La teoría juega un papel clave en los experimentos, es lo que nos permite predecir lo que va a suceder y obtener una buena idea de aquello que debemos buscar. "Esta es una súper interesante gran avenida para los químicos teóricos. Se abre un campo completamente nuevo", señaló el coautor del informe Frank Abild-Pedersen, del SLAC y SUNCAT.

Un equipo dirigido por el profesor asociado Henrik Öström, de la Universidad de Estocolmo, hizo algunos estudios iniciales sobre cómo desencadenar las reacciones con el láser óptico. El espectro teórico fue calculado bajo el liderazgo del profesor Lars GM Pettersson, de Estocolmo, un antiguo colaborador de Nilsson.

Los experimentos preliminares en el Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), en Stanford, también fue crucial. Bajo el liderazgo de Hirohito Ogasawara, de SSRL y Jerry LaRue de SUNCAT, midieron las características de los reactivos químicos con el haz de rayos X intenso para estar seguros de identificar todo correctamente en el LCLS, donde el tiempo de haz es mucho más escaso. "Sin el SSRL esto no hubiera funcionado", apostilló Nilsson.

El equipo ya está empezando a medir los estados de transición en otras reacciones catalíticas que generan sustancias químicas importantes para la industria.

"Esto es extremadamente importante, ya que da una idea de la bases científicas para normalizar permitiéndonos diseñar nuevos catalizadores", indicó el director de SUNCAT y el coautor Jens Nørskov.
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- Imagen: Esta ilustración muestra los átomos que forman un enlace provisional, un momento capturado por primera vez en los experimentos con láser de rayos X en el Laboratorio SLAC National Accelerator. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory. 
- Fuente: SLAC National Accelerator Laboratory
- Publicación: H. Öström, H. Öberg, H. Xin, J. LaRue, M. Beye, M. Dell’Angela, J. Gladh, M. L. Ng, J. A. Sellberg, S. Kaya, G. Mercurio, D. Nordlund, M. Hantschmann, F. Hieke, D. Kühn, W. F. Schlotter, G. L. Dakovski, J. J. Turner, M. P. Minitti, A. Mitra, S. P. Moeller, A. Föhlisch, M. Wolf, W. Wurth, M. Persson, J. K. Nørskov, F. Abild-Pedersen, H. Ogasawara, L. G. M Pettersson, and A. Nilsson. Probing the transition state region in catalytic CO oxidation on Ru. Science, 12 February 2015 DOI: 10.1126/science.1261747.
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