De waarneming van een chemische reactie op moleculair niveau in realtime is een centraal thema in de experimentele chemische fysica. Een internationaal onderzoeksteam heeft voor het eerst rondzwervende moleculaire fragmenten vastgelegd. Het werk, onder toezicht van Heide Ibrahim, onderzoeksmedewerker bij het Institut national de la recherche scientifique (INRS), werd gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

De onderzoeksgroep van het Énergie Matériaux Télécommunications Research Centre van INRS, met de steun van professor François Légaré, heeft gebruik gemaakt van de Advanced Laser Light Source (ALLS). Ze zijn erin geslaagd de eerste moleculaire film van 'roamers' te maken:waterstoffragmenten, in dit geval - die rond HCO-fragmenten draaien) tijdens een chemische reactie door de foto-dissociatie van formaldehyde te bestuderen, H ₂ CO.

Een moleculaire roadtrip

"Wat we zien in deze nieuwe ontdekking is dat, zoals tijdens een roadtrip, het einddoel is in het begin niet bekend, noch is het pad altijd rechtlijnig. In het algemeen, moleculen, zoals mensen, volg de gemakkelijkste weg om van punt A naar punt B te komen om de verbruikte energie te minimaliseren, " legt Heide Ibrahim uit. "Echter, soms besluiten reizigers om een ​​kleine omweg te maken." hetzelfde geldt voor fragmenten van moleculen. Dit proces wordt roaming genoemd, en werd voor het eerst ontdekt in formaldehydemoleculen in 2004. Sindsdien is indirecte sporen van rondzwervende fragmenten die roamers worden genoemd, zijn in veel moleculaire systemen gedetecteerd.

Echter, het is pas onlangs dat het team van Dr. Ibrahim ze "onderweg heeft kunnen vangen, " en legde ze in realtime vast. Dit is de eerste directe waarneming van het ongrijpbare fenomeen roaming dat tot nu toe is waargenomen. "Het is alsof, na de ontdekking van voetafdrukken van dinosauriërs, er werd een film ontdekt waarop ze te zien waren, ", zegt de onderzoeker.

De fragmenten in kaart brengen

Naast roaming, er is ook conventionele dissociatie, waarin het molecuul bij excitatie door ultrakorte UV-laserpulsen in fragmenten splitst. De fragmenten kunnen dezelfde eindproducten bereiken door directe routes (dissociatie) of indirecte routes (roaming) te volgen. "Om dit werk uit te voeren, men kan niet zomaar wachten op de aankomst van een fragment bij de finish, omdat dit geen informatie geeft over de dynamiek die het heeft ondergaan. Het was alsof de roadtrip zonder GPS was gedaan en we de route van de reizigers niet konden volgen, " zegt Heide Ibrahim. Om dit te verhelpen, het team vond een manier om te identificeren welk fragment welk pad volgde door controleposten langs de route te plaatsen; deze werken een beetje als zendmasten waardoor een signaal op een specifiek punt langs de route kan worden geactiveerd.

Een van de vele uitdagingen in de experimenten hield verband met het feit dat het signaal van deze onbesliste moleculen statistisch voorkomt. Stel je voor dat je een foto wilt maken van een reiziger op de weg, maar je hebt alleen de naam van de weg en hij kan op elk moment van de week langskomen. Om de moeilijkheid nog groter te maken, het experimentele signaal is ultrasnel (op de schaal van 100 femtoseconden, of 10 miljard keer minder dan een milliseconde) terwijl het zich in de tijd uitstrekt over verschillende ordes van grootte. Tomoyuki Endo, de eerste auteur van de studie, een voormalig post-doc van INRS nu bij het Kansai Photon Science Institute (Japan), was in staat om de "roamers" te volgen met behulp van een techniek genaamd time-resolved Coulomb explosiebeeldvorming (CEI).

De teams van Michael Schuurman (Nationale Onderzoeksraad, Ottawa), Paul Houston (Cornell University, Ithaka, VS) en Joel Bowman (Emory University, Atlanta, U.S.) bood theoretische ondersteuning op hoog niveau in alle kritische experimentele stadia.

"De resultaten laten zien dat in de tijd opgeloste CEI verder kan gaan dan de beeldvorming van coherente moleculaire dynamica - hier, we volgen statistische processen met behulp van conventionele ultrasnelle lasers op tafel, " zegt professor Légaré, directeur van het ALLS-lab waar de experimenten plaatsvonden. "In de nabije toekomst, dankzij de vooruitgang in lasersystemen met hoge herhalingssnelheid, het zal mogelijk zijn om complexere moleculen te bestuderen."

"Hoewel roaming een ongrijpbaar proces blijft dat moeilijk te vatten is, deze wetenschappelijke doorbraak geeft inzicht in hoe het te meten - evenals andere statistische processen die zeer gevoelige detectie vereisen in het licht van storende achtergrondsignalen, "zegt Heide Ibrahim. "Uiteindelijk, dit kan slechts het begin zijn van een nieuwe kronkelige reis naar enkele van de geheimen van Moeder Natuur; roaming is een proces waarvan de rol in de milieu- en atmosferische chemie pas aan het begin wordt begrepen."