Onderzoekers hebben ultrasnelle röntgenpulsen gebruikt om een ​​"film" met hoge resolutie te maken van een molecuul dat structurele bewegingen ondergaat. Het onderzoek, gepubliceerd in Natuurchemie , onthult de dynamiek van de processen in ongekend detail - het vastleggen van de excitatie van een enkel elektron in het molecuul.

Het vermogen om moleculaire bewegingen in realtime te zien, biedt inzicht in chemische dynamische processen die enkele decennia geleden ondenkbaar waren. zeggen de onderzoekers, en kan uiteindelijk helpen bij het optimaliseren van reacties en het ontwerpen van nieuwe soorten chemie.

"Voor vele jaren, scheikundigen hebben geleerd over chemische reacties door in wezen de moleculen te bestuderen die aanwezig zijn voor en nadat een reactie heeft plaatsgevonden, " zei Brian Stankus, een recente Ph.D. afgestudeerd aan Brown University en co-hoofdauteur van het papier. "Het was onmogelijk om scheikunde te zien terwijl het gebeurt, omdat de meeste moleculaire transformaties heel snel gebeuren. Maar ultrasnelle lichtbronnen zoals die we in dit experiment hebben gebruikt, hebben ons in staat gesteld moleculaire bewegingen in realtime te meten, en dit is de eerste keer dat dit soort subtiele effecten zo duidelijk zijn waargenomen in een organisch molecuul van deze omvang."

Het werk is een samenwerking tussen chemici van Brown, wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory en theoretische chemici van de Universiteit van Edinburgh in het VK. Het team werd geleid door Peter Weber, hoogleraar scheikunde aan Brown.

Voor de studie, de onderzoekers keken naar de moleculaire bewegingen die optreden wanneer het organische molecuul N-methylmorfoline wordt geëxciteerd door pulsen van ultraviolet licht. Röntgenpulsen van SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) werden gebruikt om snapshots te maken in verschillende stadia van de dynamische respons van het molecuul.

"We raken de moleculen in feite met UV-licht, die de reactie initieert, en dan nemen we een fractie van een seconde later een "foto" - in feite leggen we een verstrooiingspatroon vast - met een röntgenpuls, " zei Stankus. "We herhalen dit keer op keer, met verschillende intervallen tussen de UV-puls en de röntgenpuls om een ​​tijdreeks te creëren."

De röntgenstralen verstrooien in bepaalde patronen, afhankelijk van de structuur van moleculen. Die patronen worden geanalyseerd en gebruikt om een ​​vorm van het molecuul te reconstrueren terwijl de moleculaire bewegingen zich ontvouwen. Die patroonanalyse werd geleid door Haiwang Yong, een afgestudeerde student aan Brown en de co-hoofdauteur van de studie.

Het experiment onthulde een uiterst subtiele reactie waarbij slechts een enkel elektron wordt geëxciteerd, waardoor een duidelijk patroon van moleculaire trillingen ontstaat. De onderzoekers konden zowel de elektronenexcitatie als de atomaire vibratie tot in detail in beeld brengen.

"Dit document is een echte mijlpaal, want voor het eerst, we waren in staat om met grote helderheid de structuur van een molecuul te meten in een aangeslagen toestand en met tijdresolutie, " zei Weber, de corresponderende auteur van de studie.

"Het maken van dit soort bijna ruisvrije metingen in zowel energie als tijd is geen sinecure, " zei Mike Minitti, een senior stafwetenschapper bij SLAC en co-auteur van de studie. "In de afgelopen zeven jaar onze samenwerking heeft veel geleerd over hoe de verschillende LCLS-diagnostieken het beste kunnen worden gebruikt om de kleine fluctuaties in röntgenintensiteiten nauwkeurig te meten, en in nog grotere mate, volg de veranderingen op de femtoseconde tijdschaal waarop de moleculen evolueren. Dit alles heeft geleid tot de ontwikkeling van aangepaste routines voor gegevensanalyse die vervelende, ongewenste signalen naar onze gegevens. Deze resultaten tonen de betrouwbaarheid die we kunnen bereiken."

Een bijzonder interessant aspect van de reactie, zeggen de onderzoekers, is dat het coherent is, wat betekent dat wanneer groepen van deze moleculen interageren met licht, hun atomen trillen in overleg met elkaar.

"Als we experimenten zoals deze kunnen gebruiken om te bestuderen hoe licht precies kan worden gebruikt om de collectieve beweging van miljarden moleculen te sturen, we kunnen systemen ontwerpen die coherent gecontroleerd kunnen worden, "Stankus zei. "Simpel gezegd:als we precies begrijpen hoe licht moleculaire bewegingen stuurt, we kunnen nieuwe systemen ontwerpen en ze besturen om nuttige chemie te doen."