Unas nuevas técnicas de rayos X ultrarrápidos podrían captar el movimiento de los electrones a escala molecular
La vida nunca es estática y es más brillante de lo que creemos: la mayoría de las reacciones más importantes en química y biología son inducidas por la luz y tienen lugar a escalas temporales ultrarrápidas. Donde más evidente resulta esto es en las reacciones esquivas de la fotosíntesis que sustentan la vida vegetal. Actualmente, los investigadores se concentran en comprender la llamada reacción enzimática del fotosistema II que permite que las plantas disocien el agua en hidrógeno y oxígeno de formas que todavía se desconocen. «Comprender más detalladamente esta reacción abriría la posibilidad de aplicar artificialmente este proceso eficiente. Puede que las disposiciones moleculares complejas que almacenan energía lumínica del mismo modo que la naturaleza un día ofrezcan una solución de almacenamiento de energía viable», destaca Franz Kaertner, investigador principal que recibió una subvención del Consejo Europeo de Investigación (CEI) para liderar el proyecto AXSIS. El proyecto podría ayudar a revelar estas respuestas ultrarrápidas a la luz gracias a unos desarrollos innovadores relacionados con fuentes compactas de rayos X de atosegundos (un atosegundo es una quintillonésima parte segundo) y aceleradores de terahercios.
Ciencia de rayos X ultrarrápidos para visualizar procesos moleculares
Los científicos de AXSIS emplearon la cristalografía en serie, una técnica de rayos X emergente, para investigar la estructura de microcristales individuales. La técnica puede ayudar a mejorar la comprensión de la estructura y la función a escala atómica y molecular, ya que ofrece una descripción completa de procesos ultrarrápidos con resolución atómica en el espacio real, así como en el panorama de energía electrónica. Consiste en aplicar una fuente de electrones libres de rayos X coherentes de atosegundos basada en la dispersión Compton inversa coherente (C-ICS, por sus siglas en inglés) sobre un cristal. Un gran problema de la técnica es que hay una delicada línea que separa la obtención de datos de buena calidad y no dañar demasiado los cristales por la radiación. La cristalografía en serie a escala de femtosegundos convencional utiliza el principio de «tomar imágenes antes de destruir». Los láseres de electrones libres de rayos X emiten pulsos de femtosegundos que producen datos de difracción de alta resolución antes de destruir la molécula por radiación. «Los pulsos de atosegundos generados por fuentes de C-ICS aportan beneficios adicionales porque pueden dejar atrás los daños producidos en los estados electrónicos de la molécula que se producen en una escala temporal mucho más breve», explica Petra Fromme, miembro del equipo del proyecto. «Las capacidades experimentales revolucionarias de la difracción de rayos X de atosegundos y la espectroscopia ayudarán a hacer realidad uno de los mayores sueños de los bioquímicos: producir películas moleculares de los cambios estructurales y químicos que tienen lugar simultáneamente en reacciones bioquímicas complejas», añade Kaertner. La elevada frecuencia de repetición de los pulsos de rayos X debería permitir, en última instancia, que los científicos desvelaran los mecanismos ultrarrápidos de absorción de luz y transferencia de energía de excitación de la fotosíntesis en escalas espaciales y temporales pertinentes. Hasta ahora, solo se podían producir haces ultracortos mediante equipos caros y de grandes dimensiones. ¿Qué llevó a los investigadores a desarrollar esta fuente de rayos X de atosegundos?
La tecnología de terahercios miniaturiza los aceleradores de partículas
El equipo de AXSIS está construyendo el primer prototipo de acelerador de partículas en miniatura que utiliza la radiación de terahercios. La longitud de onda de la radiación de terahercios es mucho más corta que las ondas de radio que se utilizan actualmente para acelerar partículas. Esto significa que los componentes del acelerador también pueden construirse a una escala más reducida. Gracias a un proceso óptico no lineal, los investigadores produjeron ondas electromagnéticas de terahercios a partir de pulsos láser. Para su prototipo, dispararon electrones rápidos desde un cañón de electrones dentro de un módulo acelerador lineal microestructurado. Los electrones se aceleraron aún más por la radiación de terahercios introducida en el módulo. El láser revolucionario empleado produjo pulsos de terahercios con energías de milijulios, un récord para esta técnica. Como los pulsos son tan cortos, alcanzan un pico de brillo comparable al producido por instalaciones de mayor tamaño, incluso si hay considerablemente menos luz en cada pulso. «Con estos pulsos muy cortos y brillantes esperamos obtener nueva información sobre procesos químicos extremadamente rápidos a través de los cuales las plantas y algunas bacterias producen sus propios hidratos de carbono», concluye Kaertner.
Palabras clave
AXSIS, rayos X, atosegundo, terahercio, fotosíntesis, dispersión Compton inversa coherente (C-ICS), acelerador de partículas, cristalografía de femtosegundos
