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El láser de rayos X más poderoso del mundo crea un 'agujero negro' molecular

El láser de rayos X más poderoso del mundo ha creado un "agujero negro" molecular.

El agujero negro no es una versión minúscula del objeto celestial supermasivo que devora todo dentro de su horizonte de eventos. Más bien, cuando la energía de rayos X se dirige a una molécula, elimina muchos de los electrones que crea un vacío que luego aspira todos los electrones de los átomos cercanos, en forma de agujero negro.


"Básicamente, absorbió todos los electrones del entorno", dijo el coautor del estudio, Sebastien Boutet, físico del Laboratorio de Aceleradores Nacionales de SLAC en Menlo Park, California. "Es una analogía de cómo un agujero negro atrae gravitatoriamente todo". 

El efecto de agujero negro molecular se produce gracias al haz de rayos X más intenso de su tipo, equivalente a enfocar toda la luz solar en un punto del tamaño de una miniatura.

Los experimentos se basaron en el láser de electrones libres de rayos X Linac Coherent Light Source de SLAC, que genera pulsos de láser de energía extremadamente alta conocidos como rayos X duros. Boutet y sus colegas luego utilizaron una serie de espejos para enfocar esa energía de rayos X en un punto de aproximadamente 100 nanómetros de diámetro. (Un cabello humano mide unos 70000 nanómetros de ancho, donde 1 nanómetro es una mil millonésima parte de un metro).

Estos pulsos de láser enfocados luego iluminaron átomos de xenón aislados y moléculas de yodometano (CH3I) y yodobenceno (C6H5I). La energía intensa se sintonizó de modo que los rayos X despojaran a los electrones de las capas de energía más internas de los átomos de yodo. (Los electrones giran alrededor del núcleo de un átomo en conchas u orbitales, con diferentes niveles de energía). Al principio, todo actuaba como se predecía: como pinballs, los electrones externos caían en cascada desde los orbitales.

Sin embargo, los pulsos de rayos X no solo agotaron la capa externa de los electrones de yodo: el átomo de yodo, que normalmente contiene 53 electrones, continuó absorbiendo electrones de los átomos de carbono e hidrógeno vecinos en la molécula, después de lo cual se expulsaron violentamente. En total, las moléculas de yodo perdieron 54 electrones.

Todo el proceso se produjo en tan solo 30 femtosegundos, o una cuadrillón de un segundo. Al final de esta dramática cascada, la molécula explotó.


Los hallazgos sugieren que algunos de los modelos básicos que los físicos han usado en el pasado para capturar el impacto de los pulsos láser de rayos X pueden faltar, dijo Boutet.

"Incluso para algo relativamente simple, un sistema de seis átomos, termina siendo bastante difícil predecir cómo ocurrirá el daño"

Los hallazgos podrían ayudar a los científicos a modelar mejor el daño por radiación provocado por los potentes pulsos de láser, que se utilizan con frecuencia para visualizar moléculas orgánicas complejas, como virus, enzimas y bacterias, agregó.

Si bien el proceso que sustenta el agujero negro molecular es dramático, es probable que nunca haya ocurrido antes en la Tierra.  

"Hay algunos eventos celestiales que crearán estos campos intensos, como supernovas", dijo Boutet. "No sucede naturalmente en ningún lugar en el que los humanos nos encontremos".

Los hallazgos fueron publicados el (31 de mayo de 2017) en la revista Nature.