Aspirine is niet alleen een belangrijk medicijn, maar ook een interessant natuurkundig modelsysteem waarin moleculaire trillingen en elektronen op een bijzondere manier aan elkaar gekoppeld zijn. Voor de eerste keer, Röntgenexperimenten in het ultrakorte tijdsdomein maken elektronenbewegingen in realtime zichtbaar. Ze tonen aan dat zeer kleine atomaire verplaatsingen elektronen over veel grotere afstanden binnen de aspirinemoleculen verschuiven.

Aspirinepillen (Figuur 1a) bestaan ​​uit veel kleine kristallieten waarin moleculen van acetylsalicylzuur een regelmatige ruimtelijke ordening vormen (Figuur 1b). De moleculen koppelen aan elkaar via relatief zwakke interacties en genereren elektrische velden die een kracht uitoefenen op de elektronen van elk molecuul. Bij excitatie van moleculaire trillingen, de verdeling van elektronen in de ruimte en, dus, de chemische eigenschappen moeten veranderen. Hoewel dit scenario onderwerp van theoretisch werk is geweest, er is tot nu toe geen experimentele demonstratie en begrip van de moleculaire dynamica geweest.

Wetenschappers van het Max Born Instituut in Berlijn, Duitsland, hebben nu de eerste directe waarneming van elektronenbeweging gekregen tijdens een gekoppelde trilling van de aspirinemoleculen. In een recent nummer van het tijdschrift structurele dynamiek , ze rapporteren resultaten van een röntgenexperiment in het ultrakorte tijdsdomein. Een ultrakorte optische pomppuls induceert trillingen van de aspirinemoleculen met een trillingsperiode van ongeveer één picoseconde. Een ultrakorte harde röntgenpuls, die vertraagd is ten opzichte van de pomppuls, wordt afgebogen uit het geëxciteerde poeder van kristallieten om de momentane ruimtelijke ordening van elektronen in kaart te brengen via een röntgendiffractiepatroon.

De animatie in figuur 1c toont de rotatiebeweging van de methyl (CH ₃ ) groep van een aspirinemolecuul dat ontstaat bij vibratie-excitatie. In de animatie, de atomaire verplaatsingen worden kunstmatig vergroot om ze zichtbaar te maken. De methylrotatie is verbonden met een ruimtelijke verschuiving van elektronen over het gehele aspirinemolecuul (gele wolken, zogenaamde iso-oppervlak met constante elektronendichtheid). De periodieke elektronenbewegingen vinden plaats in de tijd met de vibratiebewegingen van de atomen en de afstanden die door de elektronen worden afgelegd zijn typisch 10.000 keer groter dan de atoomverplaatsingen in de methylrotatie. Dit gedrag demonstreert het hybride karakter van de methylrotatie die bestaat uit zowel atomaire als elektronenbewegingen op totaal verschillende lengteschalen. Het hybride karakter komt voort uit de elektrische interactie tussen de aspirinemoleculen en de dynamische minimalisering van elektrostatische energie in het kristalliet.

Deze nieuwe resultaten benadrukken de centrale rol van hybride modi voor de stabilisatie van de kristalstructuur, overeenstemming met theoretische berekeningen. In het geval van aspirine, deze eigenschap begunstigt de zogenaamde vorm 1 van de kristalstructuur in vergelijking met andere moleculaire arrangementen. De sterke modulatie van de elektronenverdeling door trillingen is relevant voor tal van kristalstructuren waarin elektrische interacties de boventoon voeren. Trillingsexcitaties van ferro-elektrische materialen zouden een ultrasnelle omschakeling van de macroscopische elektrische polarisatie mogelijk moeten maken en, dus, leiden tot nieuwe elektronische apparaten voor extreem hoge frequenties.