Wetenschappers hebben een belangrijke doorbraak bereikt in het maken van moleculaire films, waarbij ze in ongekend detail hebben vastgelegd hoe moleculen reageren op twee fotonen van licht. Deze prestatie biedt nieuwe inzichten in chemische reacties en zou de weg kunnen vrijmaken voor de ontwikkeling van efficiëntere zonnecellen en door licht geactiveerde medicijnen.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemistry, werd uitgevoerd door een team onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley en het Max Planck Instituut voor de Structuur en Dynamica van Materie in Hamburg, Duitsland. Ze gebruikten een techniek genaamd ultrasnelle elektronendiffractie om de moleculaire veranderingen vast te leggen die worden veroorzaakt door twee lichtfotonen.

"We konden zien hoe de elektronen in een molecuul zichzelf herverdelen na het absorberen van twee fotonen", zegt hoofdauteur Benjamin Feinberg, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Berkeley. "Hierdoor konden we de moleculaire veranderingen in realtime volgen, waardoor we een gedetailleerd beeld kregen van hoe moleculen op licht reageren."

De onderzoekers bestudeerden een molecuul genaamd difenylacetyleen, een eenvoudig organisch molecuul dat bestaat uit twee fenylringen verbonden door een drievoudige binding tussen twee koolstofatomen. Wanneer het molecuul twee lichtfotonen absorbeert, ondergaat het een chemische reactie die fotodimerisatie wordt genoemd, waarbij de twee fenylringen een nieuwe binding met elkaar vormen.

Met behulp van ultrasnelle elektronendiffractie konden de onderzoekers de moleculaire veranderingen die met deze reactie gepaard gaan, vastleggen op een tijdschaal van femtoseconden (één femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde). Ze observeerden hoe de elektronen in het molecuul bewegen en zichzelf herverdelen, wat leidt tot de vorming van de nieuwe binding tussen de twee fenylringen.

Dit gedetailleerde begrip van hoe moleculen reageren op licht zou aanzienlijke gevolgen kunnen hebben voor gebieden als scheikunde, materiaalkunde en geneeskunde. Het zou wetenschappers bijvoorbeeld kunnen helpen nieuwe materialen te ontwerpen die efficiënter zijn in het absorberen van licht en het omzetten ervan in energie, zoals in zonnecellen. Bovendien zou het kunnen helpen bij de ontwikkeling van door licht geactiveerde medicijnen die nauwkeurig op specifieke plaatsen in het lichaam kunnen worden gericht.

"Ons werk opent nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van de dynamiek van chemische reacties en het begrijpen van hoe moleculen interageren met licht", zegt senior auteur Daniel Neumark, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Californië, Berkeley. "Deze kennis zal essentieel zijn voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën die de kracht van licht benutten voor energieconversie en andere toepassingen."

De bevindingen van het team vertegenwoordigen een belangrijke stap voorwaarts op het gebied van moleculaire films en bieden een dieper inzicht in de fundamentele processen die plaatsvinden wanneer moleculen interageren met licht.