Un grupo de científicos ha utilizado un pulso ultra-brillante de luz de rayos X para convertir brevemente un átomo de una molécula en una especie de agujero negro electromagnético. A diferencia de un agujero negro en el espacio, el átomo de rayos X no atrae materia de su entorno a través de la fuerza de la gravedad, sino electrones por medio de su carga eléctrica, causando la explosión de la molécula en tan solo una fracción de segundo. El estudio proporciona información importante para el análisis de biomoléculas utilizando láseres de rayos X, según informaron los científicos en la revista Nature.
Los investigadores usaron el láser de electrones libres LCLS en el SLAC National Accelerator Laboratory en Estados Unidos para bañar moléculas de yodometano (CH3I) en una intensa luz de rayos X. Los pulsos alcanzaron intensidades de 100.000 billones de kilovatios por centímetro cuadrado. Los rayos X de alta energía arrebataron 54 de los 62 electrones de la molécula, creando una molécula con una carga positiva 54 veces la carga elemental. «Por lo que sabemos, este es el nivel más alto de ionización que nunca se ha logrado por medio de la luz», explicó el coautor Robin Santra del equipo de investigación, que es un destacado científico en DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) en el Centro de Ciencia de Láser de Electrones Libres (CFEL por sus siglas en inglés).
Sin embargo, esta ionización no tiene lugar de una vez. «El grupo metil CH3 queda en cierto sentido cegado por los rayos X», dice Santra, que también es profesor de física en la Universidad de Hamburgo, en Alemania. «El impulso de los rayos X inicialmente despoja al átomo de yodo de cinco o seis de sus electrones. La fuerte carga positiva resultante provoca que el átomo de yodo succione los electrones que se hallan en el grupo metilo, como si fuera una especie de agujero negro atómico”. De hecho, la fuerza ejercida sobre los electrones es considerablemente mayor que la que ocurre alrededor de un agujero negro astrofísico típico de diez masas solares. «El campo gravitacional creado por un agujero negro real de este tipo sería incapaz de ejercer una fuerza de intensidad similar a un electrón, independientemente de lo cerca que hubieras traído el electrón al agujero negro», dice Santra.
El proceso ocurre tan rápidamente que los electrones que son aspirados son a su vez catapultados por el mismo pulso de rayos X. El resultado es una reacción en cadena en el curso de la cual se pierden hasta 54 de los 62 electrones de yodometano; y todo esto sucede en menos de una billonésima de segundo. «Esto conduce a una carga positiva extremadamente alta que se acumula en el espacio de una diez-milmillonésima de un metro. Eso termina por hacer pedazos la molécula”, dice el coautor Daniel Rolles de DESY y Kansas State University.
La observación de este proceso dinámico ultrarrápido es muy importante para el análisis de las moléculas complejas en los llamados láseres de electrones libres de rayos X (XFEL) como son el LCLS en California y el XFEL europeo, que ahora está entrando en servicio a 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 llegar al nivel de átomos individuales. Esta información estructural puede ser utilizada por biólogos, por ejemplo, para determinar el mecanismo preciso por el cual funcionan 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, en Estados Unidos. «Si en vez de existir un solo grupo de metilo se encontraran más moléculas en la vecindad, podrían absorberse más electrones».
El grupo de Santra en CFEL ha logrado por primera vez describir estas dinámicas a 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 este experimento se ha llevado a cabo con éxito; también tenemos una descripción numérica del proceso», señala Sang-Kil Son, co-autor del estudio y miembro del grupo de Santra, al frente del equipo que desarrolló el programa de ordenador. «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».
Además de DESY, la Universidad Estatal de Kansas y la SLAC, la Universidad de Tohoku en Japón, el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Alemania, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing en China, la Universidad de Århus en Dinamarca, el Instituto Nacional de Metrología de Alemania Physikalisch-Technische Bundesanstalt, el Instituto Max Planck de Investigación Médica en Alemania, el Laboratorio Nacional de Argonne en Estados Unidos, la Universidad de Sorbonne en Francia, el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Estados Unidos, la Universidad de Chicago en Estados Unidos, la Universidad de Northwestern en Estados Unidos y la Universidad de Hamburgo en Alemania también participaron en el estudio.
Artículo original publicado por Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Revisado y traducido por ¡QFC!
