Un avance trascendental en la ciencia ha permitido a los investigadores obtener por primera vez imágenes de un electrón individual durante un proceso químico, utilizando pulsos ultrarrápidos de rayos X. Este hito, presentado el 20 de agosto de 2025 en la prestigiosa publicación Physical Review Letters, abre nuevas vías para comprender los mecanismos fundamentales de las reacciones químicas.
El equipo científico se centró en observar el movimiento de un electrón de valencia en el instante de la disociación de una molécula de amoníaco. Históricamente, la dispersión de rayos X se utilizaba para fijar átomos y sus interacciones, capturando cambios a nivel microscópico. Sin embargo, este método interactuaba principalmente con electrones internos, dejando fuera de foco a los electrones de valencia, que son cruciales en las transformaciones químicas. Los investigadores han logrado superar esta limitación, posibilitando la observación directa de estas partículas externas.
Ian Gabalski, autor principal del estudio y aspirante en física, destacó que un estudio profundo del comportamiento de los electrones de valencia permitirá optimizar el desarrollo de agentes farmacéuticos, implementar tecnologías químicas más estables y crear materiales avanzados. Para el experimento, se eligió la molécula de amoníaco debido a su estructura, compuesta mayormente por átomos ligeros, lo que minimiza la influencia de los electrones internos en los resultados y aumenta las probabilidades de observar la señal deseada.
El trabajo se llevó a cabo en el laboratorio SLAC, empleando una fuente de luz coherente, Linac, que genera potentes y cortas ráfagas de rayos X. Inicialmente, la molécula fue sometida a radiación ultravioleta, lo que transfirió un electrón a un estado de mayor energía e inició el proceso de disociación. Posteriormente, los rayos X capturaron los movimientos en la nube electrónica, reflejando la dinámica de la reacción. La comparación de los datos obtenidos con modelos teóricos confirmó el papel fundamental de los electrones de valencia en los cambios observados.
Este avance tiene profundas implicaciones para la química y la física de materiales. La capacidad de visualizar el comportamiento de electrones individuales en tiempo real durante reacciones químicas permite una comprensión sin precedentes de cómo se forman y rompen los enlaces químicos. Esto podría acelerar el descubrimiento de nuevos catalizadores más eficientes para procesos industriales, como la producción de fertilizantes o la generación de energía limpia, al permitir a los científicos diseñar moléculas con propiedades específicas desde su concepción. Además, la tecnología desarrollada podría tener aplicaciones en el campo de la electrónica, facilitando el diseño de componentes más rápidos y eficientes al comprender mejor el flujo de electrones a nivel fundamental.
La investigación futura del equipo se dirige a adaptar esta tecnología para entornos más complejos, incluyendo entornos tridimensionales, lo que podría conducir a aplicaciones prácticas en medicina regenerativa, como la restauración de tejidos o la creación de estructuras artificiales personalizadas, ampliando las posibilidades en el cuidado de la salud.