Forskere fanger roaming molekylære fragmenter i realtid

Observation af en kemisk reaktion på molekylært niveau i realtid er et centralt tema i eksperimentel kemisk fysik. Et internationalt forskerhold har for første gang fanget roaming molekylære fragmenter. Arbejdet, under opsyn af Heide Ibrahim, forskningsassistent ved Institut national de la recherche scientifique (INRS), blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Forskergruppen i Énergie Matériaux Télécommunications Research Center i INRS, med støtte fra professor François Légaré, har brugt Advanced Laser Light Source (ALLS). Det er lykkedes dem at optage den første molekylære film af "roamers" - brintfragmenter, i dette tilfælde - der kredser om HCO-fragmenter) under en kemisk reaktion ved at studere fotodissociationen af ​​formaldehyd, H ₂ CO.

En molekylær roadtrip

"Det vi ser i denne nye opdagelse er, at som på en roadtrip, det endelige mål er ikke kendt i begyndelsen, og vejen er heller ikke altid ligetil. Generelt, molekyler, som mennesker, følg den nemmeste vej for at komme fra punkt A til punkt B for at minimere energiforbruget, " forklarer Heide Ibrahim. "Men, nogle gange kan rejsende beslutte at tage en lille omvej." Tilsyneladende, det samme gælder for fragmenter af molekyler. Denne proces kaldes roaming, og blev først opdaget i formaldehydmolekyler i 2004. Siden da, indirekte spor af vandrende fragmenter kaldet roamere er blevet påvist i mange molekylære systemer.

Imidlertid, det er først for nylig, at Dr. Ibrahims team har været i stand til at "fange dem undervejs, " og fangede dem i realtid. Dette er den første direkte observation af det undvigende fænomen roaming observeret til dato. "Det er som om, efter opdagelsen af ​​dinosaurs fodspor, der blev opdaget en film, der viste dem vandrer, " siger forskeren.

Kortlægning af fragmenterne

Ud over roaming, der er også konventionel dissociation, hvor molekylet spaltes i fragmenter ved excitation af ultrakorte UV-laserimpulser. Fragmenterne kan nå de samme slutprodukter ved at følge direkte veje (dissociation) eller indirekte veje (roaming). "For at udføre dette arbejde, man kan ikke bare vente på ankomsten af ​​et fragment ved målstregen, da dette ikke giver nogen information om den dynamik, den har gennemgået. Det var som om, at køreturen blev gennemført uden GPS, og vi kunne ikke spore den rute, de rejsende tog, " siger Heide Ibrahim. For at afhjælpe dette, holdet fandt en måde at identificere, hvilket fragment, der fulgte hvilken vej, ved at placere kontrolpunkter langs ruten; disse fungerer lidt som celletårne, der tillader et signal at blive aktiveret på et bestemt punkt langs ruten.

En af de mange udfordringer i eksperimenterne var relateret til, at signalet fra disse uafklarede molekyler forekommer statistisk. Forestil dig at ville tage et billede af en rejsende på vejen, men du har kun navnet på vejen, og han kan komme forbi når som helst i løbet af ugen. For at øge vanskeligheden, det eksperimentelle signal er ultrahurtigt (på skalaen 100 femtosekunder, eller 10 milliarder gange mindre end et millisekund), mens den strækker sig over flere størrelsesordener i tid. Tomoyuki Endo, undersøgelsens første forfatter, en tidligere post-doc af INRS nu ved Kansai Photon Science Institute (Japan), var i stand til at følge "roamerne" ved hjælp af en teknik kaldet time-resolved Coulomb explosion imaging (CEI).

Holdene af Michael Schuurman (Det Nationale Forskningsråd, Ottawa), Paul Houston (Cornell University, Ithaka, U.S.) og Joel Bowman (Emory University, Atlanta, U.S.) ydede teoretisk støtte på højt niveau på alle kritiske eksperimentelle stadier.

"Resultaterne viser, at tidsopløst CEI kan gå ud over billeddannelsen af ​​sammenhængende molekylær dynamik - her, vi følger statistiske processer ved hjælp af konventionelle ultrahurtige bordlasere, " siger professor Légaré, direktør for ALLS-laboratoriet, hvor eksperimenterne fandt sted. "I den nærmeste fremtid, takket være fremskridt inden for lasersystemer med høj gentagelseshastighed, det vil være muligt at studere mere komplekse molekyler."

"Selvom roaming forbliver en uhåndgribelig proces, som er svær at forstå, dette videnskabelige gennembrud giver indsigt i, hvordan man måler det – såvel som andre statistiske processer, der kræver meget følsom detektion i lyset af forstyrrende baggrundssignaler, " siger Heide Ibrahim. "I sidste ende, dette er måske kun begyndelsen på endnu en snoet rejse mod nogle af Moder Naturs hemmeligheder; roaming er en proces, hvis rolle i miljø- og atmosfærisk kemi kun er i begyndelsen af ​​at blive forstået."