Molekylernes indre liv:Ny metode tager 3D-billeder af molekyler i aktion

Kvantemekaniske regler. Det dikterer, hvordan partikler og kræfter interagerer, og dermed hvordan atomer og molekyler fungerer - f.eks. hvad sker der, når et molekyle går fra en tilstand med højere energi til en tilstand med lavere energi. Men ud over de simpleste molekyler, detaljerne bliver meget komplekse.

"Kvantemekanik beskriver, hvordan alt det her fungerer, " sagde Paul Hockett fra National Research Council of Canada. "Men så snart du går ud over to-kropsproblemet, du kan ikke løse ligningerne." Så, fysikere må stole på computersimuleringer og eksperimenter.

Nu, han og et internationalt team af forskere fra Canada, U.K. og Tyskland har udviklet en ny eksperimentel teknik til at tage 3D-billeder af molekyler i aktion. Dette værktøj, han sagde, kan hjælpe forskere med bedre at forstå den kvantemekanik, der ligger til grund for større og mere komplekse molekyler.

Den nye metode, beskrevet i Journal of Chemical Physics , kombinerer to teknologier. Det første er et kamera udviklet ved Oxford University, kaldet Pixel-Imaging Mass Spectrometry (PImMS) kamera. Den anden er en femtosekund vakuum ultraviolet lyskilde bygget på NRC femtolabs i Ottawa.

Massespektrometri er en metode, der bruges til at identificere ukendte forbindelser og til at undersøge strukturen af ​​molekyler. I de fleste typer massespektrometri, et molekyle er fragmenteret i atomer og mindre molekyler, der derefter adskilles efter molekylvægt. I time-of-flight massespektrometri, for eksempel, et elektrisk felt accelererer det fragmenterede molekyle. Hastigheden af ​​disse fragmenter afhænger af deres masse og ladning, så at veje dem, du måler, hvor lang tid det tager for dem at ramme detektoren.

De fleste konventionelle billeddannende detektorer, imidlertid, kan ikke skelne præcis, hvornår en bestemt partikel rammer. For at måle timing, forskere skal bruge metoder, der effektivt fungerer som skodder, som slipper partikler igennem over en kort periode. At vide, hvornår lukkeren er åben, giver oplysninger om flyvetiden. Men denne metode kan kun måle partikler af samme masse, svarende til den korte tid, lukkeren er åben.

PImMS-kameraet, på den anden side, kan måle partikler af flere masser på én gang. Hver pixel i kameraets detektor kan måle, hvornår en partikel rammer den. Denne tidsinformation producerer et tredimensionelt kort over partiklernes hastigheder, giver et detaljeret 3-D billede af molekylets fragmenteringsmønster.

At sondere molekyler, forskerne brugte dette kamera med en femtosekund vakuum ultraviolet laser. En laserpuls exciterer molekylet til en tilstand med højere energi, og lige som molekylet starter sin kvantemekaniske udvikling - efter et par dusin femtosekunder - udløses endnu en puls. Molekylet absorberer en enkelt foton, en proces, der får det til at falde fra hinanden. PImMS-kameraet tager derefter et 3D-billede af det molekylære affald.

Ved at affyre en laserpuls på senere og senere tidspunkter på exciterede molekyler, forskerne kan bruge PImMS-kameraet til at tage snapshots af molekyler på forskellige stadier, mens de falder i lavere energitilstande. Resultatet er en serie af 3D-blow-by-blow-billeder af et molekyle, der skifter tilstand.

Forskerne testede deres tilgang på et molekyle kaldet C2F3I. Selvom et relativt lille molekyle, det fragmenterede i fem forskellige produkter i deres eksperimenter. Data- og analysesoftwaren er tilgængelig online som en del af et åbent videnskabeligt initiativ, og selvom resultaterne er foreløbige, Hockett sagde, eksperimenterne demonstrerer kraften i denne teknik.

"Det er faktisk en teknologi, der gør det muligt overhovedet at udføre disse typer eksperimenter, " sagde Hockett. Det tager kun et par timer at indsamle den slags data, der ville tage et par dage ved hjælp af konventionelle metoder, giver mulighed for eksperimenter med større molekyler, som tidligere var umulige.

Så kan forskere bedre besvare spørgsmål som:Hvordan fungerer kvantemekanik i større, mere komplekse systemer? Hvordan opfører exciterede molekyler sig, og hvordan udvikler de sig?

"Folk har forsøgt at forstå disse ting siden 1920'erne, " sagde Hockett. "Det er stadig et meget åbent efterforskningsfelt, forskning, og debat, fordi molekyler er virkelig komplicerede. Vi er nødt til at blive ved med at prøve at forstå dem."