Indfangning af den koordinerede dans mellem elektroner og kerner i et lys-ophidset molekyle

Ved hjælp af et højhastigheds "elektronkamera" på Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, forskere har samtidig fanget bevægelser af elektroner og kerner i et molekyle, efter at det var spændt med lys. Dette er første gang, dette er blevet gjort med ultrahurtig elektrondiffraktion, som spreder en kraftig elektronstråle fra materialer for at opfange bittesmå molekylære bevægelser.

"I denne forskning, vi viser, at med ultrahurtig elektrondiffraktion, det er muligt at følge elektroniske og nukleare ændringer, mens de to komponenter naturligvis frakobles, "siger Todd Martinez, en Stanford kemiprofessor og forsker ved Stanford PULSE Institute, der er involveret i forsøget. "Det er første gang, at vi har været i stand til direkte at se både atomernes detaljerede positioner og de elektroniske oplysninger på samme tid."

Teknikken kunne give forskere mulighed for at få et mere præcist billede af, hvordan molekyler opfører sig, mens de måler aspekter af elektronisk adfærd, der er kernen i kvantekemisimuleringer, giver et nyt fundament for fremtidige teoretiske og beregningsmetoder. Teamet offentliggjorde deres resultater i dag i Videnskab .

Skeletter og lim

I tidligere undersøgelser, SLACs instrument til ultrahurtig elektrondiffraktion, MeV-UED, tillod forskere at lave high-definition "film" af molekyler ved et kryds og strukturelle ændringer, der opstår, når ringformede molekyler bryder op som reaktion på lys. Men indtil nu, instrumentet var ikke følsomt over for elektroniske ændringer i molekyler.

"I fortiden, vi var i stand til at spore atombevægelser, da de skete, "siger hovedforfatter Jie Yang, en videnskabsmand ved SLAC's Accelerator Directorate og Stanford PULSE Institute. "Men hvis du ser nærmere på, du vil se, at kernerne og elektronerne, der udgør atomer, også har specifikke roller at spille. Kernerne udgør molekylets skelet, mens elektronerne er limen, der holder skelettet sammen. "

Fryser ultrahurtige bevægelser

I disse forsøg, et team ledet af forskere fra SLAC og Stanford University studerede pyridin, som tilhører en klasse af ringformede molekyler, der er centrale for lysdrevne processer såsom UV-induceret DNA-skade og reparation, fotosyntese og konvertering af solenergi. Fordi molekyler absorberer lys næsten øjeblikkeligt, disse reaktioner er ekstremt hurtige og vanskelige at studere. Ultrahøjhastighedskameraer som MeV-UED kan "fryse" bevægelser, der forekommer inden for femtosekunder, eller milliontedele af en milliarddel af et sekund, at give forskere mulighed for at følge ændringer, når de opstår.

Først, forskerne blinkede laserlys ind i en gas af pyridinmolekyler. Næste, de sprængte de ophidsede molekyler med en kort puls af elektroner med høj energi, genererer øjebliksbilleder af deres hurtigt omlejrede elektroner og atomkerner, der kan sættes sammen til en stop-motion film af de lysinducerede strukturelle ændringer i prøven.

En ren adskillelse

Teamet fandt ud af, at elastiske spredningssignaler, fremstillet, når elektroner diffrakterer et pyridinmolekyle uden at absorbere energi, kodet information om molekylernes nukleare adfærd, mens uelastiske spredningssignaler, produceret når elektroner udveksler energi med molekylet, indeholdt oplysninger om elektroniske ændringer. Elektroner fra disse to spredningstyper opstod i forskellige vinkler, tillader forskere rent at adskille de to signaler og direkte observere, hvad molekylets elektroner og kerner lavede på samme tid.

"Begge disse observationer stemmer næsten præcist overens med en simulering, der er designet til at tage hensyn til alle mulige reaktionskanaler, "siger medforfatter Xiaolei Zhu, som var postdoktor ved Stanford på tidspunktet for dette forsøg. "Dette giver os et usædvanligt klart overblik over samspillet mellem elektroniske og nukleare ændringer."

Supplerende teknikker

Forskerne mener, at denne metode vil supplere rækken af ​​strukturel information indsamlet gennem røntgendiffraktion og andre teknikker på instrumenter som SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser, som er i stand til at måle præcise detaljer om den kemiske dynamik på de korteste tidsskalaer, som for nylig rapporteret for en anden lysinduceret kemisk reaktion.

"Vi ser, at MeV-UED bliver mere og mere et værktøj, der supplerer andre teknikker, "siger medforfatter og SLAC-videnskabsmand Thomas Wolf." Det faktum, at vi kan få elektroniske og nukleare strukturer i det samme datasæt, målt sammen, men alligevel observeret hver for sig, vil give nye muligheder for at kombinere det, vi lærer, med viden fra andre eksperimenter. "

'En ny måde at se tingene på'

I fremtiden, denne teknik kunne give forskere mulighed for at følge ultrahurtige fotokemiske processer, hvor tidspunktet for elektroniske og nukleare ændringer er afgørende for resultatet af reaktionen.

"Dette åbner virkelig en ny måde at se ting på med ultrahurtig elektrondiffraktion, "siger medforfatter Xijie Wang, direktør for MeV-UED-instrumentet. "Vi forsøger altid at finde ud af, hvordan elektronerne og kernerne faktisk interagerer for at gøre disse processer så hurtige. Denne teknik giver os mulighed for at skelne mellem, hvad der kommer først - ændringen af ​​elektronerne eller ændringen i kernerne. Når du får en komplet billede af, hvordan disse ændringer udspiller sig, du kan begynde at forudsige og kontrollere fotokemiske reaktioner. "