Este estudio responde a una pregunta fundamental en Química: cuánto tiempo tarda un electrón en iniciar la migración de carga en las moléculas
En la naturaleza, la fotosíntesis sustenta a plantas y bacterias; en los paneles solares, la fotovoltaica transforma la luz en energía eléctrica. Estos procesos son impulsados por el movimiento de electrones e implican transferencia de carga a nivel molecular. La redistribución de la densidad electrónica en las moléculas tras absorber luz es un fenómeno ultrarrápido de gran importancia que involucra efectos cuánticos y dinámica molecular. La capacidad de medir la dinámica de transferencia de electrones y carga con una resolución temporal extrema no solo proporciona una comprensión fundamental de los mecanismos físicos detrás de estos procesos, sino que también ofrece conocimientos únicos sobre cómo diseñar las propiedades químicas y estructurales de las moléculas para controlarlas o mejorarlas.
Los pulsos ultracortos de luz ultravioleta generados en fuentes armónicas de alto orden o instalaciones de láser de electrones libres son herramientas poderosas para iniciar y observar la respuesta de las moléculas a la fotoionización, en escalas de tiempo que van desde el femtosegundo (10-15 segundos) hasta el attosegundo (10-18 segundos). A pesar de los muchos avances en estas técnicas, aún no se dispone de una comprensión detallada de los pasos iniciales de la transferencia de electrones y cargas después de la fotoionización.
En un estudio pionero publicado en Nature Chemistry, investigadores en el Politécnico de Milán, Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia, Universidad Autónoma de Madrid y Universidad Complutense de Madrid, revelan nuevos conocimientos sobre la dinámica ultrarrápida de los sistemas moleculares utilizando pulsos ultravioleta de attosegundos. Este trabajo pionero ofrece una nueva perspectiva sobre la compleja interacción entre electrones y núcleos en moléculas tipo donantes-aceptoras, avanzando significativamente en nuestra comprensión de los procesos químicos al nivel más fundamental.
Al exponer las moléculas de nitroanilina a pulsos de attosegundos, el equipo de investigación ha podido observar y analizar las primeras etapas de la transferencia de carga con una precisión sin precedentes. Este estudio emplea una combinación de técnicas de vanguardia, incluida la espectroscopía de bombeo ultravioleta de attosegundos y espectroscopía de sonda infrarroja de pocos femtosegundos, así como cálculos avanzados de química cuántica, para capturar la dinámica de estos procesos ultrarápidos.
Se ha precisado minuciosamente la información temporal sobre los diversos pasos del proceso de transferencia de electrones y carga. Los hallazgos clave de la investigación revelan que la transferencia de electrones del grupo amino -donante de electrones- ocurre en menos de 10 femtosegundos, impulsada por un movimiento sincronizado de núcleos y electrones. A esto le sigue un proceso de relajación que se desarrolla en una escala de tiempo inferior a 30 femtosegundos, a medida que el paquete de ondas nucleares se propaga en los estados electrónicos excitados del catión molecular. Estos descubrimientos ofrecen nuevos y valiosos conocimientos sobre cómo el acoplamiento electrón-núcleo influye en los sistemas donantes-aceptores de electrones en respuesta a la fotoionización.
Los resultados reportados aquí responden a una pregunta fundamental en química, ya que revelan los tiempos necesarios para transferir la carga de una unidad donante de electrones al enlace químico adyacente que conecta esa unidad con un anillo de benceno, y para los cambios estructurales concomitantes que ocurren. Los autores creen que estos hallazgos experimentales y teóricos preparan el camino para una mejor comprensión de los diagramas y conceptos de los libros de texto utilizados para predecir la migración de carga en moléculas orgánicas.
Este estudio no solo arroja luz sobre las complejidades de la dinámica molecular, sino que también sienta las bases para futuras investigaciones en el campo hacia avances tanto en la comprensión teórica como en las aplicaciones prácticas de la ciencia de los attosegundos.
Simulación de la densidad electrónica en una molécula de para-nitroanilina después de la fotoexcitación (animación). Imagen: Fernando Martín.
El resultado de una subvención ERC Synergy
TomATTO es un ambicioso proyecto científico que tiene como objetivo capturar la dinámica ultrarrápida de los electrones con el objetivo de mejorar la eficiencia de conversión de la energía solar. Mediante la observación, comprensión y control de la excitación de las moléculas en las células solares, dicen los investigadores, se podría mejorar el rendimiento de estos dispositivos, que actualmente solo logran convertir menos del 25% de la energía solar que les llega.
A lo largo del proyecto de 6 años, los investigadores de TomATTO superarán tres grandes retos: 1) registrar los primeros procesos electrónicos iniciados por la absorción de luz; 2) diseñar nuevos materiales orgánicos para controlar la dinámica electrónica; y 3) desarrollar métodos computacionales para entender los resultados. Para ello, el equipo de investigación del consorcio TomATTO, liderado por los profesores Fernando Martín (IMDEA Nanociencia, Universidad Autónoma de Madrid), Nazario Martín (Universidad Complutense de Madrid) y Mauro Nisoli (Instituto Politécnico de Milán), unen fuerzas en este proyecto sinérgico. El proyecto TomATTO, coordinado desde IMDEA Nanociencia, recibe financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC Synergy) con un total de 12 millones de €.
Glosario:
• Fotoexcitación: proceso en el que un átomo o molécula absorbe energía luminosa, lo que hace que un electrón pase de un estado fundamental a un nivel de energía más alto.
• Attosegundo: unidad de tiempo igual a 10-18 segundos.
• Sistemas donor-aceptor: moléculas que comprenden unidades donantes ricas en electrones y unidades aceptoras deficientes en electrones unidas por enlaces covalentes o no covalentes.
Referencia bibliográfica: Federico Vismarra et al. Few-femtosecond electron transfer dynamics in photoionized donor–π–acceptor molecules. Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01620-y
https://www.nature.com/articles/s41557-024-01620-y
