Un átomo de luz

Un grupo internacional de científicos con la participación del Instituto de Nanotecnologías, Espectroscopia y Química Cuántica de la Universidad Federal de Siberia (INEQC UFS) propuso un nuevo método para determinar la estructura de una sustancia con el uso de los rayos X. Este método se basa en el intercambio de energía entre dos átomos.

Este modo puede pasar a ser una herramienta potente para estudiar la estructura de muchos sistemas moleculares. Los resultados de la investigación llevada a cabo bajo los auspicios de la Fundación Científica de Rusia se han publicado en la revista Journal of Chemical Physics Letters.

El nuevo método está basado en la transferencia de energía entre dos átomos. Los electrones que rodean sus núcleos formados de protones y neutrones se ubican en varios niveles energéticos. La distancia entre los niveles es igual a la energía de un cuantio de luz que se emite (si un electrón salta del nivel superior al inferior) o se absorbe (si un electrón salta del nivel inferior al superior) cuando un electrón salta de un nivel a otro.

Si un fotón emitido por la fuente de los rayos X choca con un electrón en un átomo y le transfiere un volumen suficiente de la energía, el electrón puede saltar del átomo. Este proceso se llama fotoionización.

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El nuevo método se basa en la participación de dos átomos: donante y receptor. Al inicio, un fotón de los rayos X transfiere, al chocar, la energía a un electrón que se ubica en el nivel más bajo del átomo donante. El electrón salta del átomo dejando libre su puesto, que ocupa otro electrón del átomo donante saltando de un nivel más alto emitiendo un fotón con esto. Este fotón se absorbe por un átomo receptor a raíz de que salta su electrón que se ubica en un nivel más bajo.

“El átomo donante y el átomo receptor se ubican a una distancia particular. La carga positiva del átomo donante ionizado cambia la energía del salto del electrón del átomo receptor. El conocimiento de este valor da la posibilidad de determinar el tipo del átomo receptor y la distancia entre los átomos. Esta información permite determinar toda la estructura de la sustancia que se estudia”, destaca el autor principal del trabajo, doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas, Farís Guelmujánov.

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En la banda óptica, cuando aumenta la distancia entre el donante y el receptor, la velocidad de la transferencia de la energía suele reducirse rápidamente en las distancias muy cortas (de unos nanómetros). Así las cosas, los átomos que se ubican a una distancia larga son incapaces de intercambiar la energía.

Esta transferencia de la energía se llama resonante y es clave para el intercambio de energía en varios sistemas importantes, por ejemplo, durante la fotosíntesis.

Resultó que en la banda de los rayos X con que trabajaron los científicos al desarrollar el nuevo método, es posible transferir la energía a distancias más grandes. Es decir, el intercambio de la energía puede producirse no sólo entre los átomos próximos sino también entre los que se ubican a larga distancia.

“Hemos desarrollado un nuevo modelo teórico de la transferencia de la energía que describe cambios químicos de las transferencias que se observan en los rayos X y depende de la posición de los átomos donantes y receptores. En el marco de este modelo la transferencia de la energía se realiza debido al intercambio de los fotones que permite determinar directamente del experimento la estructura de varias sustancias, incluidas las biomoléculas que contienen átomos donantes pesados, como hierro o azufre. Se puede desarrollar de modo eficaz los resultados de nuestras investigaciones teóricas al usar un láser de electrones libres (XFEL)”, explica el jefe del INEQC UFS, Serguéi Poliútov.

La señal causada por la transferencia de la energía entre varios niveles en un átomo es muy débil. Mientras, se podría intensificarla en el régimen de pulsos cortos e intensos de los rayos X en base al XFEL. Esta tecnología da la posibilidad de no sólo describir la estructura ‘congelada’ de una sustancia (lo hacen mediante la cristalización de una estructura biológica ‘viva’) sino también seguir la dinámica del movimiento de átomos en tiempo real.

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