Lineaire polyenen zijn koolwaterstofketens met ongebruikelijke optische en elektrische eigenschappen. Ze zijn een paradigma geworden voor het bestuderen van foto-isomerisatie - wanneer moleculaire structuren herschikken van het absorberen van licht - vanwege hun ongecompliceerde moleculaire structuur, potentieel voor elektrische geleidbaarheid, en rol in visie. Begrijpen hoe deze moleculen gelijktijdig herschikken door middel van foto-isomerisatie, zou materiaalwetenschappelijk onderzoek kunnen bevorderen door kunstmatige visie mogelijk te maken en draden van plastic te produceren, en nieuwe fotovoltaïsche technologieën.

Trans 1, 3-butadieen, het kleinste polyeen, heeft onderzoekers de afgelopen 40 jaar uitgedaagd vanwege zijn complexe elektronische structuur in aangeslagen toestand en zijn ultrasnelle (femtoseconde, 10 ^-15 s) dynamiek. Butadieen blijft de "missing link" tussen ethyleen (C ₂ H ₄ , ), die slechts één dubbele binding heeft, en langere lineaire polyenen met drie of meer dubbele bindingen.

Nutsvoorzieningen, een experimenteel team onder leiding van Albert Stolow aan de Universiteit van Ottawa en de National Research Council of Canada heeft trans 1 opgelost Elektronisch-structurele dynamiek van 3-butadieen. De onderzoekers rapporteerden onlangs hun bevindingen in The Journal of Chemical Physics .

De groep van Stolow ontwikkelde een ultrasnelle laserspectroscopie genaamd time-resolved photoelectron-photoion coïncidentie spectroscopie (TRPEPICO) om dit onderzoek uit te voeren. De methode omvat een femtoseconde pomp-sondeproces waarbij een geëmitteerd foto-elektron wordt gemeten als een functie van de tijd. Het foto-elektronenspectrum en de hoekverdeling zijn gevoelig voor de elektronische en structurele dynamiek van moleculen. In de afgelopen 20 jaar, Stolow heeft zijn methode toegepast op een breed scala aan problemen, inclusief de ultraviolette stabiliteit van DNA-basen en intramoleculaire protonoverdracht.

"We hebben gedurende vele jaren laten zien dat onze aanpak werkt en hebben veel voorbeelden gegeven, " zei Stolow. Hij studeerde eerder bij John C. Polanyi en Yuan T. Lee, twee Nobelprijswinnaars die onderzoek deden naar moleculaire botsingsdynamiek.

"Velen van ons dachten dat als we ethyleen konden begrijpen, de basisbouwsteen, zouden we de langere lineaire polyenen kunnen begrijpen, ' zei Stolow. 'Maar butadieen is de 'missing link'. Het leek niet te gedragen als een van beide gevallen."

Het team van Stolow ontdekte dat trans 1, 3-butadieen gedraagt ​​zich, tegelijkertijd, zoals zowel ethyleen als langere polyenen. specifiek, er is een ultrasnelle competitie tussen ethyleenachtige dynamiek en polyeenachtige dynamiek.

De experimentele resultaten van het onderzoeksteam werden onafhankelijk gemodelleerd en computationeel bevestigd door het onderzoeksteam van Todd J. Martínez. Martinez is onderzoeker en hoogleraar scheikunde aan de Stanford University, die gespecialiseerd is in moleculaire kwantumdynamica. Michael S. Schuurman van de NRC, een theoreticus gespecialiseerd in kwantumdynamica, hielp ook dit werk te bevestigen.

"Deze samenwerking is de sleutel. We kwamen elk onafhankelijk tot dezelfde resultaten, Stolow zei. "Dramatische technische vooruitgang in zowel experiment als theorie hebben ons in staat gesteld om eindelijk de al lang bestaande puzzel van elektronische dynamiek in butadieen op te lossen, de 'missing link' van polyeen fotofysica."