Wanneer licht bepaalde moleculen raakt, het maakt elektronen los die vervolgens van de ene locatie naar de andere gaan, het creëren van gebieden met positieve en negatieve lading. Deze "ladingsoverdracht" is zeer belangrijk op veel gebieden van de chemie, in biologische processen zoals fotosynthese en in technologieën zoals halfgeleiders en zonnecellen.

Hoewel er theorieën zijn ontwikkeld om uit te leggen en te voorspellen hoe ladingsoverdracht werkt, ze zijn slechts indirect gevalideerd vanwege de moeilijkheid om te observeren hoe de structuur van een molecuul reageert op ladingsbewegingen met de vereiste atomaire resolutie en op de vereiste ultrasnelle tijdschalen.

In een nieuwe studie, een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de Brown University, het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de University of Edinburgh gebruikten de röntgenvrije-elektronenlaser van SLAC om de eerste directe waarnemingen te doen van moleculaire structuren die verband houden met ladingsoverdracht in gasmoleculen die met licht worden geraakt.

Moleculen van dit gas, genaamd N, N-dimethylpiperazine of DMP, zijn normaal gesproken symmetrisch, met aan elk uiteinde een stikstofatoom. Licht kan een elektron uit een stikstofatoom slaan, waardoor een positief geladen ion achterblijft dat bekend staat als een 'ladingscentrum'.

Intrigerend, dit proces is ongelijk; lichtabsorptie creëert een ladingscentrum in slechts één van de twee stikstofatomen, en deze onbalans in lading vervormt de atomaire steiger van het molecuul, dus atomen compenseren door positie ten opzichte van elkaar te verschuiven. Maar binnen drie biljoenste van een seconde, de lading herverdeelt zich tussen de twee stikstofatomen totdat het gelijk wordt en de moleculen weer symmetrisch worden, de onderzoekers rapporteren in een paper gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences vandaag.

Hun studie is de eerste die direct observeert hoe de structuur van een molecuul verandert als lading wordt herverdeeld, waarbij sommige chemische bindingen langer en sommige korter worden, voordat u eindelijk weer in zijn oorspronkelijke staat ontspant.

"We zien dat de moleculen de symmetrie doorbreken en de symmetrie hervormen, " zei Peter Weber, een scheikundeprofessor aan de Brown University wiens onderzoeksgroep bijna tien jaar geleden begon met het bestuderen van DMP. Hij leidde de studie met Adam Kirrander van de Universiteit van Edinburgh en SLAC senior stafwetenschapper Michael Minitti.

Een scheve reactie

Wetenschappers in de groep van Weber, waaronder Xinxin Cheng—een Ph.D. student die nu een SLAC associate staff scientist is - ontdekte acht jaar geleden de scheve reactie van het molecuul op licht. Het bleek dat de stikstofatomen van het molecuul precies op de juiste afstand van elkaar staan ​​om het een ideaal model te maken voor het bestuderen van ladingsoverdracht, een ontdekking die veel discussie opriep onder theoretici die deze processen probeerden te begrijpen, evenals pogingen om ze in meer detail te observeren.

In deze laatste studie Haiwang Yong, een doctoraat student in het laboratorium van Weber, werkte samen met SLAC-wetenschappers om een ​​veel directere observatie te geven van de reactie van DMP op licht. Ze raakten DMP-gas met lichtpulsen, gevolgd door extreem korte, ultraheldere röntgenlaserpulsen van de Linac Coherent Light Source (LCLS) van het laboratorium. De LCLS-röntgenstralen verstrooiden de moleculen op een manier die de posities van individuele atomen onthulde, de lengte van de banden tussen hen en hoe ze veranderden in slechts een paar biljoensten van een seconde.

"Het is fascinerend om te zien hoe de röntgenstralen de veranderingen in de moleculaire structuur kunnen oplossen die ontstaan ​​door ladingsoverdracht, ' zei Kirrander.

Weber zei dat de resultaten de waarde aantonen van de techniek voor het extraheren van meer gedetailleerde informatie dan in eerdere experimenten. Het onderzoeksteam gebruikte die informatie om theoretische modellen te testen van hoe moleculen reageren, het onthullen van gebreken in de conventionele benadering die bekend staat als dichtheidsfunctionaaltheorie. Weber merkte op dat de gegevens gedetailleerde theoretische berekeningen lijken te ondersteunen van hoe deze overdrachten plaatsvinden door Hannes Jonsson van de Universiteit van IJsland, die niet bij dit onderzoek betrokken was.

Minitti, die vanaf het begin aan DMP heeft gewerkt met het Brown-lab en heeft deelgenomen aan deze studie, zei dat het moeilijk was om een ​​theoretisch begrip te krijgen van hoe deze asymmetrische systemen werken, omdat de experimentele gegevens erover zo schaars en indirect zijn.

"Dit werk is een belangrijke stap voorwaarts, " hij zei, "Het geeft ons kritische informatie over hoe het molecuul reageert tijdens het ladingsoverdrachtproces. Voor onderzoek als dit is een dorp nodig - we hebben experimenten nodig om de theorie te informeren, en vice versa, om ons te helpen dit ding te visualiseren."

Vooruit gaan, een grote toename van de pulsherhalingsfrequentie van de LCLS-röntgenbron is aan de gang, met een sprong van 120 pulsen per seconde naar 1 miljoen pulsen per seconde. Hierdoor kunnen onderzoekers veel complexere systemen bestuderen, het informeren van de ontwikkeling van nieuwe benaderingen van technologieën voor het opwekken van zonne-energie en energieopslag, naast vele andere toepassingen.