Met behulp van femtoseconde-pulsen van röntgenstraling hebben onderzoekers gedetailleerd gekeken naar hoe de chemische bindingen tussen atomen trillen nadat licht is geabsorbeerd. De resultaten hebben implicaties voor het begrijpen van verschillende chemische reacties en kunnen zelfs helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen.

Het meeste van wat bekend is over chemische bindingen komt van het bestuderen van moleculen in rust. Maar wanneer moleculen licht absorberen, beginnen de atomen waaruit ze bestaan ​​te trillen, waardoor de vorm van hun chemische bindingen snel verandert. Dit kan de manier waarop moleculen met elkaar reageren dramatisch veranderen.

Het bestuderen van de dynamiek van atomen op deze ultrasnelle tijdschalen was moeilijk, maar de afgelopen jaren hebben nieuwe röntgenbronnen nieuwe mogelijkheden geopend. Bij de Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenvrije-elektronenlaser bij het SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Californië, hebben wetenschappers een innovatieve techniek ontwikkeld genaamd hoge-energie-resolutie off-resonante spectroscopie, of HEROS.

Hierbij worden hoogenergetische elektronen, die zijn gesynchroniseerd met een laserpuls, door de oscillerende moleculen geleid en vervolgens geanalyseerd hoe de elektronen onder verschillende hoeken worden verstrooid. Hierdoor kunnen onderzoekers direct observeren hoe de lengtes en hoeken van de chemische bindingen van het molecuul in realtime veranderen.

In een proof-of-concept-experiment bestudeerde het team koolmonoxidemoleculen die werden getroffen door een femtoseconde laserpuls bij SLAC. Bij de experimenten werden in realtime de tijdsafhankelijke veranderingen in de koolstof-zuurstofbindingslengte gemeten nadat licht was geabsorbeerd.

"We willen begrijpen hoe energie tussen verschillende delen van het molecuul stroomt", zegt Giulia Pinardi, een postdoctoraal onderzoeker bij SLAC en hoofdauteur van een studie gepubliceerd in Physical Review Letters op 17 december. "Als dat op zeer korte termijn kan gebeuren tijdschaal kan het beïnvloeden wat het molecuul uiteindelijk gaat doen."

In dit geval trilt koolmonoxide na lichtabsorptie, waardoor het molecuul niet kan dissociëren in vrije koolstof- en zuurstofatomen. Door deze beweging gedetailleerd vast te leggen, kon het team veel leren over hoe moleculaire trillingen de chemische reactiviteit beïnvloeden.

In de toekomst is het team van plan de HEROS-techniek te gebruiken om meer specifieke moleculaire bewegingen te onderzoeken. Ook willen ze chemische reacties volgen in complexere moleculen die relevant kunnen zijn voor het ontwerp van nieuwe medicijnen of materialen.

"HEROS lijkt in wezen op stroboscoopfotografie", zegt co-auteur Mike Minitti. "We kunnen een reeks momentopnamen maken met een röntgenlaser om de bewegingen te bekijken terwijl een reactie voortgaat. Dat is iets nieuws en een bewijs van de röntgenlaser."