El 'secreto oculto' de los iones revelado a través de los ojos de los electrones

Se revela el proceso de transformación oculto del ion. Un equipo de investigación dirigido por Hyocheol Lee (Profesor de Química, KAIST) del Centro de Investigación de Cinética de Reacción Avanzada del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) observó el proceso de formación y transformación de iones gaseosos en tiempo real. En este proceso, descubrimos que los iones forman productos a través de estados previamente desconocidos, como el estado oscuro estructural.

Desde la vida real hasta el espacio, los iones desempeñan un papel importante en todas partes. Todo, desde las baterías de iones de litio de los teléfonos inteligentes hasta la energía que consumimos cuando la absorbemos, pasando por la luz y la energía del sol, es el resultado de la actividad de los iones.

Sin embargo, a pesar de su importancia, no se han realizado muchas investigaciones sobre los cambios en la estructura y forma de los iones. Esto se debe a que es difícil observar experimentalmente cambios en el tiempo y el espacio de iones que se mueven tan finamente como varios angstroms (una milmillonésima de centímetro) en una fracción de segundo, en unos pocos picosegundos (una billonésima de segundo). En particular, es muy difícil observar la dinámica de los iones en fase gaseosa aislados del sistema circundante.

En investigaciones anteriores, los investigadores han identificado el momento en que se rompe un enlace molecular (Science, 2005), el momento en que nace una molécula a través de un enlace químico (Nature, 2015) y la estructura molecular de todo el proceso desde el principio hasta el final. de una reacción química (Nature, 2020). Se observó en este nivel. En aquella época, las investigaciones se realizaban utilizando rayos X, pero era necesario un experimento con mayor sensibilidad para observar la dinámica de los iones.

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Para ello, los investigadores utilizaron un equipo de difracción de electrones ultrarrápida de megaelectronvoltios (MeV-UED), diseñado para observar movimientos rápidos y pequeños. En este caso, se utilizó una «técnica de ionización multifotónica mejorada por vibración» para crear grandes cantidades de iones específicos que podían observarse en experimentos.

Diagrama esquemático del experimento de difracción de electrones ultrarrápida de megaelectronvoltios para moléculas de dibromopropano.  Fuente: SII
Diagrama esquemático del experimento de difracción de electrones ultrarrápida de megaelectronvoltios para moléculas de dibromopropano. Fuente: SII

En el proceso, también capturamos el comportamiento único de los iones que difieren de las moléculas en estado neutro. En este estudio, 1,3-dibromopropano (TPP, C3h6Hermano2), y derivado de la formación y cambio estructural de cationes ), y descubrió por primera vez el fenómeno de los iones positivos que permanecen en «estados estructurales oscuros» en los que no se produce ningún cambio estructural después de la formación. Se dice que el estado de oscuridad estructural dura unos 3,6 picosegundos. Después de aproximadamente 15 picosegundos, el catión TPP se convierte en un intermedio que contiene un átomo de bromo (Br) débilmente unido, y después de 77 picosegundos, el átomo de bromo se disocia y finalmente forma un ion bromonio ((C)3h7hermano)+) fue creado.

«Este estudio es importante para el seguimiento en tiempo real de la dinámica estructural de los iones moleculares», dijo el primer autor, Heo Jun, investigador invitado. Se espera que los cambios en los mecanismos de reacción y las propiedades de los materiales «proporcionen nuevos conocimientos sobre campos tan diversos como la química espacial y la química espacial». El estudiante investigador Kim Doo-young, primer autor, dijo: «Los iones son altamente reactivos y no existen durante largos períodos de tiempo, y es difícil integrar selectivamente una sola especie, lo que dificulta la observación de cambios estructurales en tiempo real». Y añadió: «Los iones de gas formados no indican directamente cambios estructurales. Mantienen una forma específica y muestran cambios drásticos», explicó.

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El director Lee Hyo-Seol, quien dirigió la investigación, dijo: “Esta investigación ha revelado los secretos ocultos de los iones, que son comunes pero no revelados. Aunque la ciencia y la tecnología han logrado avances significativos, todavía existen secretos sorprendentes sobre la materia. Un mundo que no conocemos y que los científicos tienen que desentrañar”. “Hay muchos de ellos”, dijo.

Los resultados de la investigación se publicaron en la edición en línea de la revista académica internacional 'Nature' el 11 de enero a la 01:00 (hora de Corea).

Tesis: Capturando la generación y cambios estructurales de iones moleculares

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