Em um marco para estudar uma classe de reações químicas relevantes para novas células solares e dispositivos de armazenamento de memória, uma equipe internacional de pesquisadores trabalhando no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia usou um laser de raios-X para observar a "respiração molecular" - ondas de movimentos sutis de átomos para dentro e para fora - em tempo real e detalhes sem precedentes.

Essas ondulações de movimento, visto com Linac Coherent Light Source (LCLS) da SLAC, permitiu que a equipe estudasse como a energia é trocada entre a luz e os elétrons e leva à tensão e, eventualmente, ao movimento dos átomos em uma molécula à base de ferro que é um modelo para transformar luz em energia elétrica e pequenos ímãs moleculares comutáveis.

Em um artigo publicado em Nature Communications , a equipe de pesquisa disse que estes são de alta fidelidade, medições em tempo real de redistribuição de energia ultrarrápida podem fornecer informações importantes para compreender a função de muitos produtos químicos, fenômenos físicos e biológicos induzidos pela luz.

"É um salto significativo na sensibilidade do experimento que agora nos permite ver mais do que está acontecendo, "diz Diling Zhu, cientista da equipe do SLAC. "Estamos ampliando os detalhes das moléculas à medida que alcançamos uma resolução cada vez melhor no espaço e no tempo."

A molécula que estudaram consiste em um átomo de ferro central ligado a três estruturas de anel duplo conhecidas como bipiridinas.

Para ver isso "respire, "os cientistas primeiro atingiram a molécula com luz laser e imediatamente seguiram com um pulso de raio-X de laser para examinar quaisquer mudanças que ocorreram.

A luz do laser excitou um elétron no átomo de ferro central, que foi transferido para uma das estruturas de bipiridina anexadas. Quando o elétron retornou ao átomo de ferro 100 femtossegundos, ou quatrilionésimos de segundo, mais tarde, ele inverteu o magnetismo do ferro. Isso fez com que a molécula se expandisse, desencadeando uma oscilação semelhante a uma respiração por toda a estrutura.

Medições anteriores em experimentos com lasers ópticos revelaram indiretamente esses movimentos, e suspeitou-se que a curvatura das ligações de bipiridina contribuía para o movimento molecular.

Mas esse experimento usando sinais mais diretos de raios X mostrou que essa explicação estava incorreta. Com cada pulso de raio-X durando apenas 50 femtossegundos, a equipe pôde observar a excitação eletrônica pela luz e o seguinte processo de respiração em intervalos muito mais curtos do que nunca e obter uma imagem mais completa em tempo real.

Os pesquisadores esperam que os insights obtidos com a respiração molecular os ajudem a melhorar tecnologias como células solares sensibilizadas por corante e armazenamento de memória.

As células solares sensibilizadas são uma alternativa futura promissora para dispositivos baratos, mas eficientes, mas seus corantes que absorvem a luz geralmente contêm metais raros caros, como o rutênio. Os cientistas gostariam de usar compostos mais baratos à base de ferro em vez disso, mas a comutação magnética que induz a respiração molecular interrompe o fluxo de corrente elétrica através de uma célula solar.

"Vemos dois processos concorrentes na molécula e sua relação com a estrutura molecular. Com essas informações, podemos encontrar maneiras de mudar a estrutura molecular a fim de favorecer o processo utilizável para potenciais aplicações técnicas, "diz Henrik Lemke, ex-cientista da equipe do SLAC e agora do Instituto Paul Scherrer da SwissFEL na Suíça. Lemke é o principal autor do estudo, que também incluiu pesquisadores da Suécia, Dinamarca, Itália, e França, bem como do SLAC.

"Para outras aplicações, a mudança é realmente desejável, para que pudéssemos criar um sistema de memória molecular, "Lemke acrescenta." Em dispositivos de armazenamento de memória, um processo reversível pode nos permitir escrever e armazenar dados com o material. "

O experimento marca um passo significativo na capacidade de visualizar a dinâmica molecular no instrumento Bomba de Sonda de Raios-X do LCLS, que foi encomendado pela primeira vez em 2010. Para gerar imagens mais nítidas do movimento molecular, cientistas do LCLS desenvolveram novos métodos para entregar amostras no caminho do feixe de laser de raios-X, bem como técnicas especiais de análise de dados para levar em conta várias flutuações que podem confundir o experimento.

As melhorias também significam que os pesquisadores agora podem coletar dados de maior qualidade em menos tempo. Os cientistas do LCLS agora podem adquirir informações que antes demoravam semanas para ser coletadas em apenas alguns minutos.