Onderzoekers van de Northwestern University hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de statische en dynamische structuur van complexe chemische systemen te extraheren. In deze context, "structuur" betekent niet alleen de 3D-rangschikking van atomen waaruit een molecuul bestaat, maar eerder tijdsafhankelijke kwantummechanische vrijheidsgraden die de optische, chemische en fysische eigenschappen van het systeem.

Bedenk hoe we de wereld zien:drie dimensies in de ruimte en één dimensie in tijd, d.w.z., ruimte tijd. Verwijder een van deze dimensies en het beeld wordt onvolledig en veel verwarder. Om dezelfde reden, deze nieuwe methode gebruikt vier spectrale dimensies om de structuur op te lossen om verborgen kenmerken van de moleculaire structuur te onthullen.

In deze week The Journal of Chemical Physics , assistent-professor Elad Harel en professor Irving M. Klotz, van de afdeling scheikunde aan de Northwestern University, rapporteer een nieuwe 4-D coherente spectroscopische methode die direct correleert binnen en tussen elektronische en vibrationele vrijheidsgraden van complexe moleculaire systemen.

Harel's werk omvat een theoretische beschrijving van een recente experimentele methode die in zijn laboratorium is ontwikkeld, genaamd GRadient-Assisted Multidimensionale Elektronische Raman-spectroscopie, of "GAMERS". Het is een multidimensionale coherente spectroscopische methode waarbij de afmetingen de elektronische en vibrationele vrijheidsgraden van het systeem zijn.

"Met behulp van meerdere lichtpulsen, GAMERS onderzoekt hoe deze verschillende vrijheidsgraden met elkaar samenhangen, het creëren van een soort spectrale kaart die uniek is voor elk molecuul, "zei Harel." t toont aan dat subtiele effecten die de chemische stof dicteren, fysiek, en optische eigenschappen van een systeem, die normaal gesproken verborgen zijn in methoden van lagere orde of lagere dimensionaliteit, kan worden geëxtraheerd met de GAMERS-methode."

In tegenstelling tot andere methoden, dit maakt een uniek gedetailleerd beeld van de energiestructuur van de moleculen mogelijk op een manier die voorspellende waarde kan bieden.

"De vorm van het potentiële oppervlak, wat belangrijk is voor het bepalen van de kinetiek en thermodynamica van een chemische reactie, kan direct worden gemeten, "Zei Harel. "Het niveau van moleculair detail dat werd geboden door meer lichtpulsen te gebruiken om het systeem te ondervragen, was verrassend."

Een mogelijke toepassing van GAMERS zou kunnen zijn om het fysieke mechanisme van energieoverdracht tijdens de vroegste stadia van fotosynthese te lokaliseren, een vraag die controversieel blijft onder onderzoekers, volgens Harel.

Direct, de belangrijkste toepassing van dit werk "is om inzicht te krijgen in de fysieke mechanismen achter een groot aantal kwantumfenomenen in een grote verscheidenheid aan chemische systemen, "Zei Harel. "Deze omvatten singlet-splijtingsprocessen, generatie en transport van ladingsdragers in hybride perovskieten, en energieoverdracht in pigment-eiwitcomplexen. Het begrijpen van deze processen heeft belangrijke implicaties voor de ontwikkeling van de volgende generatie zonnecellen."

De GAMERS-methode bevindt zich nog in een vroege ontwikkelingsfase, volgens Harel, maar het team heeft hoge verwachtingen van de toekomstige toepassing.

"Wij geloven dat technische vooruitgang een dergelijke analyse veel wijder zou kunnen maken binnen de gemeenschap van chemische fysica, ' zei Harel.