Kunnen zien hoe moleculen buigen, rekken, breken of transformeren tijdens chemische reacties vereist geavanceerde instrumenten en technieken die alle atomen in een molecuul kunnen observeren en volgen met een hoge subatomaire ruimtelijke en temporele resolutie.

Ongeveer 20 jaar geleden, wetenschappers kwamen op het idee om de eigen elektronen van het molecuul te gebruiken om snapshots van de structuur te maken en de moleculaire reactie in realtime te bekijken. Een doorbraak voor het in beeld brengen van complexe moleculen kwam in 2016 toen de onderzoekers, onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Jens Biegert, de vereiste ruimtelijke en temporele resolutie bereikt om snapshots van moleculaire dynamica te maken zonder gebeurtenissen te missen, rapportage over de beeldvorming van het verbreken van moleculaire bindingen in acetyleen (C ² H ² ) in Wetenschap .

Nutsvoorzieningen, de onderzoeksgroep is verder gegaan dan hun vorige ontdekking en heeft een nieuwe mijlpaal bereikt. In een recente studie gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), ICFO-onderzoekers dr. Kasra Amini, Dr. Michele Sclafani, Dr. Tobias Steinle, Aurelien Sánchez, onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Dr. Jens Biegert, de structurele buiging en strekking van de triatomaire moleculaire verbinding koolstofdisulfide hebben waargenomen, CS ₂ .

Om dit fenomeen te observeren, de onderzoekers gebruikten laser-geïnduceerde elektronendiffractie, een elektronenmicroscooptechniek op moleculaire schaal die heldere snapshots van de geometrie van het molecuul vastlegt met een gecombineerde subatomaire picometer (pm; 1 pm =10- ¹² m) en attoseconde spatio-temporele resolutie. Ze meldden dat de ultrasnelle modificaties in de moleculaire structuur worden aangedreven door veranderingen in de elektronische structuur van het molecuul, beheerst door het Renner-Teller-effect. Dit effect is essentieel voor belangrijke triatomaire moleculen zoals koolstofdisulfide, CS ₂ , omdat het specifieke chemische reacties in de atmosfeer van de aarde kan bepalen die, bijvoorbeeld, klimaatomstandigheden beïnvloeden.

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, het team heeft dit effect direct in hun experiment in beeld gebracht, het verkrijgen van snapshots in realtime, zien dat het molecuul symmetrisch uitrekt en buigt in een lineaire naar gebogen structurele overgang binnen ~ 85 fs (acht lasercycli). Dit was mogelijk dankzij het gebruik van een state-of-the-art kwantummicroscoop bestaande uit:(i) een midden-infrarood 3,1 µm intens, femtoseconde lasersysteem dat een enkele CS . verlicht ₂ molecuul met 160, 000 laserpulsen per seconde, en (ii) een reactiemicroscoopspectrometer die tegelijkertijd de volledige driedimensionale momentumverdeling van de elektronen- en ionendeeltjes kan detecteren die worden gegenereerd door de ionisatie- en subcyclus-recollision-beeldvorming van een enkel geïsoleerd molecuul.

Om hun experimentele bevindingen te bevestigen, het team voerde ook ultramoderne kwantumdynamische theoretische simulaties uit, en verifieerde de overeenkomst tussen theoretische en observationele resultaten, bevestigen dat ultrasnelle lineaire-naar-gebogen overgang is, inderdaad, mogelijk gemaakt door het Renner-Teller-effect. De bevindingen betekenen een grote stap voorwaarts in het begrijpen van de onderliggende effecten die plaatsvinden in moleculair dynamische systemen.