Átomos individuais rastreados durante a formação de ligação química em tempo actual

Pesquisadores do XFEL europeu na Alemanha rastrearam em tempo actual o movimento de átomos individuais durante uma reação química na fase gasosa. Usando flashes de raios X extremamente curtos, eles foram capazes de observar a formação de uma molécula de iodo (I₂) após irradiar moléculas de diiodometano (Ch₂i₂) por luz infravermelha, que envolve quebrar duas ligações e formar uma nova.

Ao mesmo tempo, eles foram capazes de distinguir essa reação de duas outras vias de reação, a saber, a separação de um único átomo de iodo do diiodometano ou a excitação de vibrações flexíveis na molécula ligada. Os resultados, publicado em Comunicações da naturezaForneça novas idéias sobre mecanismos fundamentais de reação que até agora foram muito difíceis de distinguir experimentalmente.

As chamadas reações de eliminação nas quais pequenas moléculas são formados a partir de uma molécula maior são centrais para muitos processos químicos – da química atmosférica à pesquisa de catalisador. No entanto, o mecanismo detalhado de muitas reações, nas quais vários átomos quebram e reformam seus laços, geralmente permanecem obscuros. O motivo: os processos ocorrem em tempos incrivelmente curtos – em femtossegundos ou alguns milionésimos de um bilhão de segundo.

Uma abordagem experimental inovadora foi agora usada no instrumento SQS no XFEL europeu para visualizar essa dinâmica de reação. Os pesquisadores irradiaram moléculas de diiodometano com pulsos de laser infravermelho por ultração, que desencadearam as reações moleculares. Femtossegundos mais tarde, os intensos flash de raios-X quebraram as moléculas, fazendo com que seus componentes atômicos se separem em uma “explosão de Coulomb”.

As trajetórias e velocidades dos íons foram então registradas por um dispositivo de detecção chamado microscópio de reação Coltrims (espectroscopia de momento de íons de alvo de alvo fria) – um dos instrumentos de detecção na estação experimental do SQS que é disponibilizada aos usuários.

“Usando esse método, conseguimos rastrear com precisão como os átomos de iodo se reúnem enquanto o grupo de metileno é clivado”, explica Artem Rudenko da Universidade Estadual de Kansas, EUA, o principal investigador do experimento. A análise revelou que os mecanismos síncronos e assíncronos contribuem para a formação da molécula de iodo – um resultado que foi apoiado por cálculos teóricos.

Notavelmente, “embora essa through de reação seja responsável apenas por cerca de 10% dos produtos resultantes, fomos capazes de distingui -lo claramente das outras reações concorrentes”, explica Rebecca Boll do instrumento SQS (Small Quantum Methods) da Schenefeld, perto de Hamburgo. Isso foi possível pela seleção precisa de canais específicos de fragmentação de íons e por sua análise resolvida no tempo.

Além disso, os pesquisadores conseguiram rastrear o movimento vibracional da molécula de iodo recém -formada. “Agora, podemos observar mais diretamente como uma molécula isolada quebra e forma ligações durante uma reação química – em tempo actual e com precisão atômica”, diz Xiang Li, o primeiro autor da publicação e um cientista do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC nos Estados Unidos.

Este é um passo essential para entender verdadeiramente os processos químicos. Essas observações não apenas fornecem uma imagem detalhada dos mecanismos de reação, mas também abrem novos caminhos para investigar mais complexos processos químicos.

No futuro, essas técnicas serão estendidas a moléculas ainda maiores e reações mais complexas. Graças às melhorias técnicas planejadas para o laser europeu de raios-X XFEL, idéias ainda mais rápidas e detalhadas sobre o mundo da dinâmica molecular ultra-rápida podem ser obtidas no futuro.