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Pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory capturaram um dos movimentos mais rápidos de uma molécula chamada ferricianeto pela primeira vez, combinando duas técnicas de espectroscopia de raios X ultrarrápidas. Eles acham que sua abordagem pode ajudar a mapear reações químicas mais complexas, como o transporte de oxigênio nas células sanguíneas ou a produção de hidrogênio usando a fotossíntese artificial.
A equipe de pesquisa do SLAC, Stanford e outras instituições começou com o que agora é uma técnica bastante padrão: eles eletrocutaram uma mistura de ferricianeto e água com um laser ultravioleta e raios-X brilhantes gerados pela Linac Coherent Light Source (LCLS). laser de elétrons livres. A luz ultravioleta levou a molécula a um estado excitado enquanto os raios-X sondavam os átomos da amostra, revelando características da estrutura e movimento atômico e eletrônico do ferricianeto.
O que foi diferente desta vez é como os pesquisadores extraíram informações dos dados de raios-X. Em vez de estudar apenas uma região espectroscópica, conhecida como Kβ, a equipe capturou e analisou uma segunda região de emissão, chamada de valência para o núcleo, que tem sido significativamente mais desafiadora de medir em escalas de tempo ultrarrápidas. A combinação de informações de ambas as regiões permitiu à equipe obter uma imagem detalhada da molécula de ferricianeto à medida que evoluía para um estado de transição chave.
A equipe mostrou que o ferricianeto entra em um estado intermediário e excitado por cerca de 0,3 picossegundos – ou menos de um trilionésimo de segundo – depois de ser atingido por um laser UV. As leituras da valência até o núcleo revelaram que, após esse período de excitação de curta duração, o ferricianeto perde um de seus “braços” moleculares de cianeto, chamado de ligante. O ferricianeto então preenche essa junta ausente com o mesmo ligante à base de carbono ou, menos provavelmente, com uma molécula de água.
“Essa troca de ligante é uma reação química básica que se pensava ocorrer no ferricianeto, mas não havia evidência experimental direta das etapas individuais desse processo”, disse o cientista do SLAC e primeiro autor Marco Reinhard. “Com apenas um abordagem de análise da linha de emissão principal Kβ, não seríamos realmente capazes de ver como a molécula se parece quando está mudando de um estado para o outro; teríamos apenas uma visão clara do início do processo.”
“Você quer ser capaz de replicar o que a natureza faz para melhorar a tecnologia e aumentar nosso conhecimento científico fundamental”, disse o cientista sênior do SLAC, Dimosthenis Sokaras. “E para replicar melhor os processos naturais, é preciso conhecer todas as etapas, desde as mais óbvias até as que acontecem no escuro, por assim dizer”.
No futuro, a equipe de pesquisa quer estudar moléculas mais complexas, como as hemeproteínas, que transportam e armazenam oxigênio nos glóbulos vermelhos – mas que podem ser complicadas de estudar porque os cientistas não entendem todas as etapas intermediárias de suas reações, Sokaras disse.
A equipe de pesquisa refinou sua técnica de espectroscopia de raios-X no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC e no LCLS ao longo de muitos anos e, em seguida, combinou toda essa experiência no instrumento de espectroscopia de correlação de raios-X (XCS) do LCLS para capturar as mudanças estruturais moleculares de ferricianeto. A equipe publicou seus resultados hoje em Natureza Comunicações.
“Aproveitamos SSRL e LCLS para concluir o experimento. Não poderíamos ter terminado o desenvolvimento de nosso método sem acesso a ambas as instalações e nossa colaboração de longa data juntos”, disse Roberto Alonso-Mori, cientista líder do SLAC. “Durante anos, desenvolvemos esses métodos nessas duas fontes de raios X e agora planejamos usá-los para descobrir segredos anteriormente inacessíveis de reações químicas”.
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