Científicos han utilizado un pulso ultra-brillante de luz de rayos X, para convertir un átomo en una molécula brevemente en una especie de agujero negro electromagnético.

A diferencia de un agujero negro en el espacio, el átomo de rayos X no atrae a la materia desde su entorno a través de la fuerza de la gravedad, sino a los electrones con su carga eléctrica, causando la explosión de la molécula en la menor fracción de segundo. El estudio proporciona información importante para el análisis de biomoléculas utilizando láser de rayos X, como informan los científicos en la revista Nature.

Los investigadores usaron el láser libre de electrones LCLS en el SLAC National Accelerator Laboratory en los Estados Unidos para bañar moléculas de iodometano (CH3I) en intensa luz de rayos X. Los pulsos alcanzaron intensidades de 100 trillones de kilovatios por centímetro cuadrado. Los rayos X de alta energía golpearon a 54 de los 62 electrones de la molécula, creando una molécula que portaba una carga positiva de 54 veces la carga elemental. «Por lo que sabemos, este es el nivel más alto de ionización que nunca se ha logrado con la luz», explica el coautor Robin Santra, científico en el Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY.

Sin embargo, esta ionización no tiene lugar de una vez. «El grupo metil CH3 es en cierto sentido ciego a los rayos X», dice Santra, que también es profesor de física en la Universidad de Hamburgo. «El impulso de rayos X inicialmente despoja al átomo de yodo de cinco o seis de sus electrones, y la fuerte carga positiva resultante significa que el átomo de yodo succiona a los electrones lejos del grupo metilo, como una especie de agujero negro atómico».

De hecho, la fuerza ejercida sobre los electrones es considerablemente mayor que la que se produce alrededor de un típico agujero negro astrofísico de diez masas solares. «El campo gravitacional debido a un agujero negro real de este tipo sería incapaz de ejercer una fuerza similarmente grande en un electrón, no importa cómo de cerca estuviera el electrón del agujero negro», dice Santra en un comunicado.

El proceso ocurre tan rápidamente que los electrones que son aspirados son entonces catapultados por el mismo pulso de rayos X. El resultado es una reacción en cadena en el curso de la cual hasta 54 de los 62 electrones del yodometano son arrastrados – todo dentro de menos de una billonésima de segundo. «Esto conduce a una carga positiva muy alta que se acumula en el espacio de una diez mil millonésima de metro, lo que desgarra la molécula», dice el coautor Daniel Rolles de DESY y la Universidad Estatal de Kansas.

La observación de este proceso dinámico ultrarrápido es muy importante para el análisis de moléculas complejas en los llamados láseres de rayos X de electrones libres (XFEL) como el LCLS en California y el XFEL europeo, que ahora está entrando en servicio en las afueras de Hamburgo. Estas instalaciones producen rayos X de alta intensidad, que pueden utilizarse, entre otras cosas, para determinar la estructura espacial de moléculas complejas hasta el nivel de átomos individuales. Esta información estructural puede ser utilizada por biólogos, por ejemplo, para determinar el mecanismo preciso por el cual trabajan las biomoléculas.

Otros científicos ya han demostrado que las moléculas revelan su estructura atómica antes de explotar. Sin embargo, para estudiar la dinámica de las biomoléculas, durante la fotosíntesis, por ejemplo, es importante entender cómo los rayos X afectan a los electrones.

En este estudio, el yodometano sirve como un sistema modelo. «El yodometano es una molécula comparativamente simple para entender los procesos que tienen lugar cuando los compuestos orgánicos son dañados por la radiación», dice el coautor Artem Rudenko de la Universidad Estatal de Kansas. “Si hay más vecinos que un solo grupo de metilo, pueden inyectarse más electrones”.

El grupo de Santra en CFEL ha logrado por primera vez describir estas dinámicas de ultra-alta velocidad también en términos teóricos. Esto fue posible gracias a un nuevo programa informático, el primero de su tipo en el mundo. «Esta no es sólo la primera vez que se realiza con éxito este experimento, sino que tenemos incluso una descripción numérica del proceso», señala el co-autor Sang-Kil Son del grupo de Santra, quien estuvo a cargo del equipo que desarrolló el programa. «Los datos son muy relevantes para los estudios que usan láseres de electrones libres, porque muestran en detalle lo que ocurre cuando se producen daños por radiación».

Fuente: Europa Press