In een mijlpaal voor het bestuderen van een klasse van chemische reacties die relevant zijn voor nieuwe zonnecellen en geheugenopslagapparaten, een internationaal team van onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy gebruikte een röntgenlaser om "moleculaire ademhaling" - golven van subtiele in- en uitgaande bewegingen van atomen - in realtime en ongekend detail te bekijken.

Deze rimpelingen van beweging, gezien met SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS), stelde het team in staat te bestuderen hoe energie wordt uitgewisseld tussen licht en elektronen en leidt tot spanning en uiteindelijk beweging van atomen in een op ijzer gebaseerd molecuul dat een model is voor het transformeren van licht in elektrische energie en schakelbare kleine moleculaire magneten.

In een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , het onderzoeksteam zei dat deze high-fidelity, real-time metingen van ultrasnelle herverdeling van energie kunnen belangrijke informatie opleveren om de functie van veel chemische, fysieke en biologische door licht veroorzaakte verschijnselen.

"Het is een aanzienlijke sprong in de gevoeligheid van experimenten, waardoor we nu meer kunnen zien van wat er gebeurt, " zegt Diling Zhu, stafwetenschapper bij SLAC. "We zoomen in op de details van moleculen terwijl we een steeds betere resolutie bereiken in zowel ruimte als tijd."

Het molecuul dat ze bestudeerden, bestaat uit een centraal ijzeratoom dat is bevestigd aan drie dubbelringige structuren die bekend staan ​​​​als bipyridines.

Om het te zien "ademen, "De wetenschappers raakten het molecuul eerst met laserlicht en volgden onmiddellijk een röntgenlaserpuls om eventuele veranderingen te onderzoeken.

Het laserlicht prikkelde een elektron in het centrale ijzeratoom, die werd overgebracht naar een van de aangehechte bipyridinestructuren. Toen het elektron 100 femtoseconden terugkeerde naar het ijzeratoom, of quadriljoensten van een seconde, later, het draaide het magnetisme van het strijkijzer om. Hierdoor zette het molecuul uit, het veroorzaken van een adem-achtige oscillatie door de hele structuur.

Eerdere metingen in experimenten met optische lasers hadden deze bewegingen indirect aan het licht gebracht, en men vermoedde dat het buigen van de bipyridine-aanhechtingen bijdroeg aan de moleculaire beweging.

Maar dit experiment met meer directe signalen van röntgenstralen toonde aan dat deze verklaring onjuist was. Met elke röntgenpuls die slechts 50 femtoseconden duurt, het team kon de elektronische excitatie door licht en het daaropvolgende ademhalingsproces met veel kortere tussenpozen dan ooit tevoren observeren en in realtime een vollediger beeld krijgen.

Onderzoekers hopen dat de inzichten uit moleculaire ademhaling hen zullen helpen bij het verbeteren van technologieën zoals kleurstofgevoelige zonnecellen en geheugenopslag.

Gevoelige zonnecellen zijn een veelbelovend toekomstig alternatief voor goedkope maar efficiënte apparaten, maar hun lichtabsorberende kleurstoffen bevatten vaak dure zeldzame metalen zoals ruthenium. Wetenschappers zouden in plaats daarvan goedkopere verbindingen op ijzerbasis willen gebruiken, maar magnetische schakeling die de moleculaire ademhaling induceert, stopt de stroom van elektrische stroom door een zonnecel.

"We zien twee concurrerende processen in het molecuul en hun relatie tot de moleculaire structuur. Met deze informatie, we kunnen manieren vinden om de moleculaire structuur te veranderen om het bruikbare proces voor potentiële technische toepassingen te bevorderen, " zegt Henrik Lemke, voorheen stafwetenschapper bij SLAC en nu bij SwissFEL's Paul Scherrer Institute in Zwitserland. Lemke is hoofdauteur van de studie, waaronder ook onderzoekers uit Zweden, Denemarken, Italië, en Frankrijk, evenals van SLAC.

"Voor andere toepassingen de overstap is eigenlijk wenselijk, zodat we een moleculair geheugensysteem kunnen creëren, "Lemke voegt toe. "In geheugenopslagapparaten, een omkeerbaar proces zou ons in staat kunnen stellen om gegevens met het materiaal te schrijven en op te slaan."

Het experiment markeert een belangrijke stap voorwaarts in de mogelijkheid om moleculaire dynamica te visualiseren met het X-ray Pump Probe-instrument van LCLS, die voor het eerst in gebruik werd genomen in 2010. Om scherpere beelden van de moleculaire beweging te genereren, wetenschappers van LCLS hebben nieuwe methoden ontwikkeld voor het afleveren van monsters in het pad van de röntgenlaserstraal, evenals speciale technieken voor gegevensanalyse om rekening te houden met verschillende fluctuaties die het experiment kunnen vervagen.

De verbeteringen betekenen ook dat onderzoekers nu in minder tijd data van hogere kwaliteit kunnen verzamelen. Wetenschappers bij LCLS kunnen nu in slechts enkele minuten informatie verkrijgen die voorheen weken nodig had om te verzamelen.