Kwantummechanica regels. Het dicteert hoe deeltjes en krachten op elkaar inwerken, en dus hoe atomen en moleculen werken, bijvoorbeeld wat er gebeurt als een molecuul van een hogere energietoestand naar een lagere energietoestand gaat. Maar buiten de eenvoudigste moleculen, de details worden erg complex.

"De kwantummechanica beschrijft hoe al deze dingen werken, " zei Paul Hockett van de National Research Council of Canada. "Maar zodra je verder gaat dan het tweelichamenprobleem, je kunt de vergelijkingen niet oplossen." Dus, natuurkundigen moeten vertrouwen op computersimulaties en experimenten.

Nutsvoorzieningen, hij en een internationaal team van onderzoekers uit Canada, het VK en Duitsland hebben een nieuwe experimentele techniek ontwikkeld om 3D-beelden van moleculen in actie te maken. Dit gereedschap, hij zei, kan wetenschappers helpen de kwantummechanica die ten grondslag ligt aan grotere en complexere moleculen beter te begrijpen.

De nieuwe methode, beschreven in The Journal of Chemical Physics , combineert twee technologieën. De eerste is een camera ontwikkeld aan de Universiteit van Oxford, genaamd de Pixel-Imaging Mass Spectrometry (PImMS) camera. De tweede is een femtoseconde vacuüm ultraviolette lichtbron gebouwd in de NRC femtolabs in Ottawa.

Massaspectrometrie is een methode die wordt gebruikt om onbekende verbindingen te identificeren en de structuur van moleculen te onderzoeken. In de meeste soorten massaspectrometrie, een molecuul wordt gefragmenteerd in atomen en kleinere moleculen die vervolgens worden gescheiden door molecuulgewicht. In time-of-flight massaspectrometrie, bijvoorbeeld, een elektrisch veld versnelt het gefragmenteerde molecuul. De snelheid van die fragmenten hangt af van hun massa en lading, dus om ze te wegen, je meet hoe lang het duurt voordat ze de detector raken.

De meeste conventionele beelddetectoren, echter, kan niet precies onderscheiden wanneer een bepaald deeltje toeslaat. Om de timing te meten, onderzoekers moeten methoden gebruiken die effectief als luiken fungeren, die deeltjes in korte tijd doorlaten. Weten wanneer de sluiter open is, geeft informatie over de vluchttijd. Maar deze methode kan alleen deeltjes met dezelfde massa meten, overeenkomend met de korte tijd dat de sluiter open is.

De PImMS-camera, anderzijds, kan deeltjes van meerdere massa's tegelijk meten. Elke pixel van de detector van de camera kan timen wanneer een deeltje het raakt. Die timinginformatie produceert een driedimensionale kaart van de snelheden van de deeltjes, het verstrekken van een gedetailleerd 3D-beeld van het fragmentatiepatroon van het molecuul.

Om moleculen te onderzoeken, de onderzoekers gebruikten deze camera met een femtoseconde vacuüm ultraviolette laser. Een laserpuls prikkelt het molecuul in een hogere energietoestand, en net op het moment dat het molecuul zijn kwantummechanische evolutie begint - na enkele tientallen femtoseconden - wordt er nog een puls afgevuurd. Het molecuul absorbeert een enkel foton, een proces waardoor het uit elkaar valt. De PImMS-camera maakt vervolgens een 3D-foto van het moleculaire puin.

Door op latere en latere tijdstippen een laserpuls af te vuren op geëxciteerde moleculen, de onderzoekers kunnen de PImMS-camera gebruiken om snapshots te maken van moleculen in verschillende stadia terwijl ze in lagere energietoestanden vallen. Het resultaat is een reeks 3D-blow-by-blow-beelden van een molecuul dat van toestand verandert.

De onderzoekers testten hun aanpak op een molecuul genaamd C2F3I. Hoewel het een relatief klein molecuul is, het viel in hun experimenten uiteen in vijf verschillende producten. De data- en analysesoftware is online beschikbaar als onderdeel van een open science-initiatief, en hoewel de resultaten voorlopig zijn, Hockett zei, de experimenten tonen de kracht van deze techniek aan.

"Het is in feite een technologie die dit soort experimenten daadwerkelijk kan doen, " Hockett zei. Het duurt maar een paar uur om het soort gegevens te verzamelen dat een paar dagen zou duren met conventionele methoden, waardoor experimenten met grotere moleculen mogelijk waren die voorheen onmogelijk waren.

Dan kunnen onderzoekers vragen beter beantwoorden als:Hoe werkt de kwantummechanica in grotere, complexere systemen? Hoe gedragen geëxciteerde moleculen zich en hoe evolueren ze?

"Mensen proberen deze dingen al sinds de jaren twintig te begrijpen, Hockett zei. "Het is nog steeds een heel open onderzoeksveld, Onderzoek, en debat omdat moleculen echt ingewikkeld zijn. We moeten blijven proberen ze te begrijpen."