El láser más poderoso del mundo crea un agujero negro molecular

En 30 femtosegundos -millonésimas de una mil millonésima de un segundo- la molécula perdió más de 50 electrones, mucho más de lo que anticiparon los científicos por experimentos anteriores que utilizaban haces de menor intensidad o átomos aislados. Después, explotó.

Los resultados, publicados en la revista Nature , dan a los científicos información fundamental para mejorar la planificación e interpretar experimentos utilizando los más intensos y enérgicos pulsos de rayos X del acelerador, en un instrumento llamado LCLS. Los experimentos que requieren estas intensidades ultraelevadas incluyen intentos de imagen de objetos biológicos individuales, como virus y bacterias , a alta resolución. También se utilizan para estudiar el comportamiento de la materia en condiciones extremas , y para comprender mejor la dinámica de las moléculas complejas para aplicaciones tecnológicas avanzadas.

El experimento, dirigido por investigadores de la Universidad Estatal de Kansas, se produjo con pulsos de rayos X «unos cien veces más intensos de lo que obtendrías si concentraras toda la luz solar que llega a la superficie terrestre en la uña del pulgar», explica Sebastien Boutet, coautor del estudio.

Los investigadores utilizaron espejos especiales para enfocar el haz de rayos X en un punto de poco más de 100 nanómetros de diámetro, mil veces más pequeño que la anchura del cabello de un ser humano. Se miraron tres tipos de muestras: átomos de xenón individuales, que tienen 54 electrones cada uno, y dos tipos de moléculas que contienen cada una un solo átomo de yodo, que tiene 53 electrones.

Los átomos pesados de alrededor de este tamaño son importantes en las reacciones bioquímicas, y los investigadores a veces los añaden a las muestras biológicas para mejorar el contraste para aplicaciones de imagen y cristalografía. Pero hasta ahora, nadie había investigado cómo este haz ultra-intenso de rayos X afecta a las moléculas con átomos tan pesados.

El equipo sintonizó la energía de los impulsos para que despojaran los electrones más internos de los átomos de xenón o de yodo, creando «átomos huecos». Por estudios anteriores con rayos X menos energéticos, pensaron que cascadas de electrones de las partes exteriores del átomo caerían para llenar los vacíos, sólo para ser expulsados ellos mismos por posteriores rayos-X. Eso dejaría sólo algunos de los electrones más fuertemente unidos. Y, de hecho, eso es lo que ocurrió en los átomos de xenón y los átomos de yodo en las moléculas.

Sin embargo, en las moléculas, el proceso no se detuvo allí. El átomo de yodo, que tenía una fuerte carga positiva después de perder la mayor parte de sus electrones, continuó aspirando los electrones de átomos de carbono y de hidrógeno vecinos, y esos electrones también fueron expulsados, uno por uno.

En lugar de perder 47 electrones, como sería el caso de un átomo de yodo aislado, el yodo en la molécula de menor tamaño perdió 54, incluyendo los que robó de sus vecinos, un nivel de daños y alteraciones que no sólo es más alto de lo que normalmente se esperaría, sino de una naturaleza significativamente diferente.

«Creemos que el efecto fue aún más importante en la molécula más grande que en la más pequeña, pero no sabemos cómo cuantificarlo todavía», dice Artem Rudenko, de la Estatal de Kansas. «Estimamos que más de 60 electrones fueron expulsados, pero en realidad no sabemos dónde se detuvo porque no hemos podido detectar todos los fragmentos que volaban a medida que la molécula se vino abajo para ver el número de electrones que faltaban. Esta es una de las preguntas abiertas que necesitamos estudiar».

Segun Mike Dunne, director del LCLS, estos hallazgos «tienen beneficios importantes para los científicos que deseen aportar imágenes de mayor resolución de moléculas biológicas, por ejemplo, para informar sobre el desarrollo de mejores productos farmacéuticos».