Ao longo dos últimos anos, os cientistas desenvolveram ferramentas incríveis - "câmeras" que usam raios X ou elétrons em vez da luz comum - para tirar instantâneos rápidos de moléculas em movimento e transformá-los em filmes moleculares.

Agora, os cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford acrescentaram outra reviravolta:ao ajustar seus lasers para atingir as moléculas de iodo com dois fótons de luz ao mesmo tempo, em vez do fóton único usual, eles desencadearam fenômenos totalmente inesperados que foram capturados em filmes em câmera lenta com apenas trilionésimos de segundo de duração.

O primeiro filme que eles fizeram com essa abordagem, descrito em 17 de março em Revisão Física X , mostra como os dois átomos em uma molécula de iodo balançam para frente e para trás, como se conectado por uma mola, e às vezes se separam quando atingidos por luz laser intensa. A ação foi capturada pelo laser de elétrons livres de raios-X rígido Linac Coherent Light Source (LCLS). Algumas das respostas das moléculas foram surpreendentes e outras já haviam sido vistas antes com outras técnicas, os pesquisadores disseram, mas nunca tão detalhadamente ou tão diretamente, sem depender de um conhecimento prévio de como devem ser.

Observações preliminares em moléculas maiores que contêm uma variedade de átomos sugerem que elas também podem ser filmadas desta forma, os pesquisadores acrescentaram, produzindo novos insights sobre o comportamento molecular e preenchendo uma lacuna onde os métodos anteriores são insuficientes.

"A imagem que obtivemos desta forma era muito rica, "disse Philip Bucksbaum, professor do SLAC e Stanford e investigador do Stanford PULSE Institute, que liderou o estudo com o cientista de pós-doutorado da PULSE, Matthew Ware. "As moléculas nos deram informações suficientes para que você pudesse realmente ver os átomos se movendo em distâncias menores que um angstrom - que tem a largura de dois átomos de hidrogênio - em menos de um trilionésimo de segundo. Precisamos de uma velocidade de obturação muito rápida e alta resolução para ver este nível de detalhe, e agora isso só é possível com um laser de elétrons livres de raio-X rígido como o LCLS. "

Fótons de cano duplo

As moléculas de iodo são o assunto favorito para esse tipo de investigação porque são simples - apenas dois átomos conectados por uma ligação química elástica. Estudos anteriores, por exemplo, com a "câmera de elétrons do SLAC, "testaram sua resposta à luz. Mas, até agora, esses experimentos foram configurados para iniciar o movimento em moléculas usando fótons individuais, ou partículas de luz.

Neste estudo, pesquisadores ajustaram a intensidade e a cor de um laser infravermelho ultrarrápido para que cerca de um décimo das moléculas de iodo interagisse com dois fótons de luz - o suficiente para fazê-los vibrar, mas não o suficiente para remover seus elétrons.

Cada acerto foi imediatamente seguido por um pulso de laser de raios-X de LCLS, que espalhou os núcleos atômicos do iodo e em um detector para registrar como a molécula reagiu. Variando o tempo entre os pulsos de luz e raios-X, os cientistas criaram uma série de instantâneos que foram combinados em um filme de ação paralela da resposta da molécula, com frames apenas 50 femtossegundos, ou milionésimos de um bilionésimo de segundo, separado.

Os pesquisadores sabiam que atingir as moléculas de iodo com mais de um fóton por vez provocaria o que é conhecido como uma resposta não linear, que pode desviar em direções surpreendentes. "Queríamos olhar para algo mais desafiador, coisas que pudemos ver que podem não ser o que planejamos, "como disse Bucksbaum. E foi isso que eles descobriram.

Vibrações inesperadas

Os resultados revelaram que a energia da luz desencadeou vibrações, como esperado, com as duas moléculas de iodo se aproximando e se afastando rapidamente uma da outra. "É um efeito muito grande, e é claro que vimos, "Bucksbaum disse.

Mas outro, muito mais fraco tipo de vibração também apareceu nos dados, "um processo tão fraco que não esperávamos ver, "disse ele." Isso confirma o potencial de descoberta desta técnica. "

Eles também foram capazes de ver a distância entre os átomos e para que lado eles se dirigiam no início de cada vibração - comprimindo ou estendendo a ligação entre eles -, bem como quanto tempo cada tipo de vibração durou.

Em apenas alguns por cento das moléculas, os pulsos de luz enviaram os átomos de iodo voando em vez de vibrar, disparando em direções opostas em velocidades rápidas ou lentas. Tal como acontece com as vibrações, os flyoffs rápidos eram esperados, mas os lentos não.

Bucksbaum disse esperar que químicos e cientistas de materiais sejam capazes de fazer bom uso dessas técnicas. Enquanto isso, sua equipe e outros no laboratório continuarão a se concentrar no desenvolvimento de ferramentas para ver mais e mais coisas acontecendo nas moléculas e entender como elas se movem. "Esse é o objetivo aqui, "disse ele." Nós somos os cineastas, não os escritores, produtores ou atores. O valor do que fazemos é permitir que todas as outras coisas aconteçam, trabalhando em parceria com outros cientistas. "