Met behulp van een snelle "elektronencamera" in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, wetenschappers hebben tegelijkertijd de bewegingen van elektronen en kernen in een molecuul vastgelegd nadat het met licht was geëxciteerd. Dit is de eerste keer dat dit is gedaan met ultrasnelle elektronendiffractie, die een krachtige straal elektronen van materialen verstrooit om kleine moleculaire bewegingen op te pikken.

"Bij dit onderzoek laten we zien dat met ultrasnelle elektronendiffractie, het is mogelijk om elektronische en nucleaire veranderingen te volgen terwijl de twee componenten op natuurlijke wijze worden ontward, " zegt Todd Martinez, een professor in de scheikunde van Stanford en een onderzoeker van het Stanford PULSE Institute die bij het experiment betrokken waren. "Dit is de eerste keer dat we tegelijkertijd zowel de gedetailleerde posities van de atomen als de elektronische informatie direct kunnen zien."

De techniek zou onderzoekers in staat kunnen stellen een nauwkeuriger beeld te krijgen van hoe moleculen zich gedragen, terwijl ze aspecten van elektronisch gedrag meten die de kern vormen van kwantumchemiesimulaties, het bieden van een nieuwe basis voor toekomstige theoretische en computationele methoden. Het team publiceerde hun bevindingen vandaag in Wetenschap .

Skeletten en lijm

In eerder onderzoek is SLAC's instrument voor ultrasnelle elektronendiffractie, MeV-UED, stelden onderzoekers in staat high-definition "films" te maken van moleculen op een kruispunt en structurele veranderingen die optreden wanneer ringvormige moleculen openbreken als reactie op licht. Maar tot nu toe, het instrument was niet gevoelig voor elektronische veranderingen in moleculen.

"Vroeger, we waren in staat om atomaire bewegingen te volgen terwijl ze plaatsvonden, " zegt hoofdauteur Jie Yang, een wetenschapper bij SLAC's Accelerator Directorate en het Stanford PULSE Institute. "Maar als je beter kijkt, je zult zien dat de kernen en elektronen waaruit atomen bestaan ​​ook een specifieke rol spelen. De kernen vormen het skelet van het molecuul, terwijl de elektronen de lijm zijn die het skelet bij elkaar houdt."

Ultrasnelle bewegingen bevriezen

Bij deze experimenten een team onder leiding van onderzoekers van SLAC en Stanford University bestudeerde pyridine, die behoort tot een klasse van ringvormige moleculen die centraal staan ​​in door licht gestuurde processen zoals UV-geïnduceerde DNA-schade en reparatie, fotosynthese en omzetting van zonne-energie. Omdat moleculen licht bijna onmiddellijk absorberen, deze reacties zijn extreem snel en moeilijk te bestuderen. Ultrahogesnelheidscamera's zoals MeV-UED kunnen bewegingen binnen femtoseconden "bevriezen", of miljoenste van een miljardste van een seconde, om onderzoekers in staat te stellen veranderingen te volgen wanneer ze zich voordoen.

Eerst, de onderzoekers flitsten laserlicht in een gas van pyridinemoleculen. Volgende, ze schoten de geëxciteerde moleculen op met een korte puls van hoogenergetische elektronen, het genereren van snapshots van hun snel herschikkende elektronen en atoomkernen die aan elkaar kunnen worden geregen tot een stop-motionfilm van de door licht veroorzaakte structurele veranderingen in het monster.

Een schone scheiding

Het team ontdekte dat elastische verstrooiingssignalen, geproduceerd wanneer elektronen afbuigen van een pyridinemolecuul zonder energie te absorberen, gecodeerde informatie over het nucleaire gedrag van de moleculen, terwijl inelastische verstrooiingssignalen, geproduceerd wanneer elektronen energie uitwisselen met het molecuul, bevatte informatie over elektronische wijzigingen. Elektronen van deze twee soorten verstrooiing kwamen onder verschillende hoeken naar voren, waardoor onderzoekers de twee signalen netjes van elkaar konden scheiden en direct konden observeren wat de elektronen en kernen van het molecuul tegelijkertijd aan het doen waren.

"Beide waarnemingen komen bijna precies overeen met een simulatie die is ontworpen om rekening te houden met alle mogelijke reactiekanalen, " zegt co-auteur Xiaolei Zhu, die ten tijde van dit experiment een postdoctoraal onderzoeker was aan Stanford. "Dit geeft ons een uitzonderlijk duidelijk beeld van het samenspel tussen elektronische en nucleaire veranderingen."

Complementaire technieken

De wetenschappers zijn van mening dat deze methode een aanvulling zal zijn op het bereik van structurele informatie die wordt verzameld door röntgendiffractie en andere technieken bij instrumenten zoals SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, die in staat is om nauwkeurige details van de chemische dynamiek te meten op de kortste tijdschalen, zoals onlangs gemeld voor een andere door licht geïnduceerde chemische reactie.

"We zien dat MeV-UED steeds meer een hulpmiddel wordt dat andere technieken aanvult, ", zegt co-auteur en SLAC-wetenschapper Thomas Wolf. "Het feit dat we elektronische en nucleaire structuren in dezelfde dataset kunnen krijgen, samen gemeten maar afzonderlijk waargenomen, zal nieuwe mogelijkheden bieden om wat we leren te combineren met kennis uit andere experimenten."

'Een nieuwe manier van kijken'

In de toekomst, deze techniek zou wetenschappers in staat kunnen stellen om ultrasnelle fotochemische processen te volgen waarbij de timing van elektronische en nucleaire veranderingen cruciaal is voor het resultaat van de reactie.

"Dit opent echt een nieuwe manier om naar dingen te kijken met ultrasnelle elektronendiffractie, " zegt co-auteur Xijie Wang, directeur van het MeV-UED-instrument. "We proberen altijd uit te vinden hoe de elektronen en de kernen op elkaar inwerken om deze processen zo snel te laten verlopen. Deze techniek stelt ons in staat om te onderscheiden wat het eerst komt - de verandering aan de elektronen of de verandering in de kernen. Zodra je een compleet beeld van hoe deze veranderingen uitpakken, je kunt beginnen met het voorspellen en beheersen van fotochemische reacties."