Técnica de imagem ultrarrápida revela como a molécula prejudicial ao ozônio reage à luz

Pela primeira vez, os pesquisadores observaram como o bromofórmio reorganiza seus átomos em menos de um trilionésimo de segundo depois de ser atingido por um pulso ultravioleta (UV). A técnica de imagem capturou um caminho há muito previsto pelo qual a molécula prejudicial à camada de ozônio transforma sua estrutura ao interagir com a luz.

A energia dos raios UV do sol induz muitos processos químicos na Terra. Para compreender, usar ou mitigar os danos causados ​​por essas reações químicas, muitas vezes ultrarrápidas, é important entender como elas funcionam no nível atômico.

“Como é que elétrons e os átomos conversam entre si para fazer acontecer uma determinada reação química? O bromofórmio é um sistema modelo proeminente para responder a essas perguntas”, disse Oliver Gessner, cientista sênior do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab).

Químicos de todo o mundo estudam a fotoquímica UV do bromofórmio há décadas. O composto pure decompõe o ozônio na atmosfera da Terra e é produzido naturalmente pelo fitoplâncton e pelas algas marinhas nos oceanos.

A teoria diz que ele passa por dois processos diferentes sob exposição aos raios UV: na dissociação, um átomo de bromo se separa do resto da molécula; na isomerização, os átomos se reorganizam em uma configuração ou isômero diferente.

“Alguns afirmam ter observado assinaturas deste isómero, mas foi demasiado curto para provar”, disse Gessner, que lidera o Programa de Ciências Atómicas, Moleculares e Ópticas na Divisão de Ciências Químicas do Laboratório de Berkeley. Além disso, diferentes teorias têm previsões muito diferentes sobre a proporção de bromofórmio que segue cada by way of.

Em um estudo publicado no Jornal da Sociedade Química AmericanaGessner e seus colegas desenvolveram um experimento que não apenas confirmou a formação desse isômero, mas também determinou qual proporção de moléculas de bromofórmio sofre dissociação e qual proporção forma isômeros.

Os pesquisadores primeiro excitaram moléculas de gás bromofórmio com uma explosão ultrarrápida de luz UV (comprimento de onda de 267 nanômetros) e, em seguida, criaram imagens das moléculas excitadas com pulsos de elétrons ultracurtos usando o instrumento relativístico de difração de elétrons ultrarrápido no SLAC Nationwide Accelerator Laboratory. O instrumento faz parte da Fonte de Luz Coerente Linac no SLAC, uma instalação de usuário do Departamento de Energia do Escritório de Ciência.

“As moléculas decidem em algumas centenas de femtossegundos para onde vão, então tivemos que ser mais rápidos do que isso”, disse Gessner.

A partir das imagens eletrônicas, os pesquisadores puderam medir as distâncias entre os átomos dentro das moléculas de bromofórmio e acompanhar como essas distâncias mudaram ao longo do tempo. A análise mostrou que aproximadamente 60% do bromofórmio moléculas sofreu isomerização nos primeiros 200 femtossegundos de excitação e persistiu durante o experimento de 1,1 picossegundo.

“Foi realmente emocionante ver exatamente a configuração que algumas pessoas previram para este isômero”, disse Gessner. Os outros 40% do bromofórmio sofreram dissociação direta.

O resultado é um passo importante para a compreensão da fotoquímica do bromofórmio e da fotoquímica induzida por UV em geral. “A sequência das vias químicas impacta os produtos químicos finais”, disse Gessner.

A medição de referência para uma taxa de formação de isômeros há muito debatida torna possível refinar teorias que prevêem essas reações e seus produtos. Além disso, o estudo demonstra que a técnica ultrarrápida é boa para fornecer respostas claras a questões sobre a rapidez com que os isómeros se povoam e quanto tempo vivem. Isso, disse Gessner, é uma ferramenta muito poderosa.