PFI-ZEKE (Pulsed Field Ionization-Zero Electron Kinetic Energy) para el estudio de iones

Castaño, F.; Fernández, J. A.; Basterretxea, A. Longarte. F.; Sánchez Rayo, M. N.; Martínez, R.
Referencia bibliográfica

1er Congreso Nacional de Astrofísica Molecular: Una visión general del potencial de los grupos de química españoles anters los nuevos desafíos de la Astrofísica. Heled in Cuidad Real, España, 1-4 Diciembre, 2003., p.22

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Descripción
Entre las áreas hacia donde ha evolucionado la Química en los últimos años están los estudios de sistemas con especies reactivas de alta energía y los dominados por fuerzas intermoleculares débiles, con energías de unas pocas kcal/mol. En efecto, el estudio de las propiedades de los iones, comenzando por su relación con la molécula neutra de la que procede, la energía de ionización, los estados vibracionales y rotacionales, energías de enlace de Van der Waals entre el ión y una amplia variedad de otras moléculas, sus confórmeros o isómeros y sus reacciones o semi-reacciones químicas están en la raíz de la necesidad de la espectroscopía conocida como PFI-ZEKE, Pulsed Field Ionization-Zero Electron Kinetic Energy. Entre las aplicaciones que requieren estos conocimientos se encuentran la generación de plasmas para la fabricación de semiconductores, memorias magnéticas, etc, así como los sistemas astrofísicos, la ionosfera terrestre, etc. La espectroscopía ZEKE es una evolución de las de fluorescencia inducida por láser, LIF, ionización multifotónica acrecentada por resonancia, REMPI, con uno y dos colores y acoplada a un sistema de tiempo de vuelo, REMPI-TOF-MS, y las espectroscopías de doble resonancia IR-UV y UV-UV. Sus espectros y la ayuda de cálculos ab inicio permite determinar las energías de enlace de complejos de van der Waals en estados fundamental y excitados, identificar confórmeros e isómeros, obtener energías de ionización experimentales aproximadas (100 cm-1) y otras variables de interés. Al igual que con LIF, REMPI y dobles resonancias, es posible utilizar muestras gaseosas, pero los espectros están muy saturados de bandas y su interpretación es difícil o imposible. Se evitan estas dificultades estudiando las moléculas o complejos en expansiones supersónicas, donde la T de los grados de libertad solo alcanzan unos pocos K. Para realizar experimentos de ZEKE hay que utilizar una propiedad recientemente descubierta, que va en contra de lo esperado en otros sistemas físicos y que consiste en que los altos estados Rydberg de átomos, moléculas y sus complejos de van der Waals (o de los iones) tienen tiempos de vida de centenas de μ s. En resumen, el experimento y la espectroscopía ZEKE consiste en excitar un átomo, molécula o cluster sucesivamente a dos estados excitados selectivos de manera que el final sea un estado Rydberg. A continuación se aplica un campo eléctrico variable que lo ioniza y después de un cierto retraso se aplica un campo eléctrico de extracción, tanto para el electrón como para el ión. El espectro de los iones, es un espectro ZEKE. Hay varias alternativas para hacer este último proceso. El estudio de la espectroscopía y propiedades de iones y sus clusters requiere el conocimiento detallado de la espectroscopía de la molécula neutra, los estados Rydberg, de los confórmeros y sus complejos. Todo ello implica el haber estudiado los sistemas por LIF, REMPI y doble resonancia (hole burning IR-UV, UV-UV). Además solo es posible interpretar los resultados y obtener la información contenida en los espectros con ayuda de cálculos cuánticos ab initio. Hasta el momento hemos aplicado tanto el ZEKE como el conjunto de técnicas mencionadas anteriormente, a varias molécula de interés químico general como anilina y sus derivados, así como sus complejos con agua y amoniaco. Sin embargo, el método es muy versátil y puede aplicarse a iones de átomos, iones múltiples, moléculas sencillas y sus clusters así como a sus semi-reacciones. Como ejemplo de uno de estos espectros PFI-ZEKE se presenta aquí el caso del amonibenzonitrilo, ABN y solamente en su estado fundamental. En la conferencia se presentarán espectros ZEKE del ABN y moléculas similares en estados vibracionales intermedios (islas de estabilidad), así como la determinación de potenciales de ionización precisos, energías de enlace de compuestos del ión con varios disolventes y otras propiedades de interés, discutiendo sus resultados.