Kommer til en laboratoriebænk i nærheden af ​​dig:Femtosekund røntgenspektroskopi

De flygtige elektronbevægelser i en forbigående tilstand af en reaktion, der er vigtige i biokemiske og optoelektroniske processer, er blevet fanget og, for første gang, direkte karakteriseret ved hjælp af ultrahurtig røntgenspektroskopi ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Ligesom mange omlægninger af molekylære strukturer, ringåbningsreaktionerne i denne undersøgelse forekommer på tidsskalaer på hundredvis af femtosekunder (1 femtosekund svarer til en milliontedel af en milliarddel af et sekund). Forskerne var i stand til at indsamle øjebliksbilleder af den elektroniske struktur under reaktionen ved hjælp af femtosekundpulser af røntgenlys på et bordapparat.

Eksperimenterne er beskrevet i tidsskriftet 7. april Videnskab .

"Meget af arbejdet i de sidste årtier med karakterisering af molekyler og materialer har fokuseret på røntgen-spektroskopiske undersøgelser af statiske eller ikke-skiftende systemer, "sagde undersøgelsesforsker Stephen Leone, fakultetsforsker ved Berkeley Labs Chemical Sciences Division og UC Berkeley professor i kemi og fysik. "Først for nylig er folk begyndt at skubbe tidsdomænet og lede efter forbigående tilstande med røntgenspektroskopi på femtosekunders tidsskalaer."

Forskerne fokuserede på de strukturelle omlægninger, der opstår, når et molekyle kaldet 1, 3 cyclohexadien (CHD) udløses af lys, hvilket fører til en omlægning af elektroner med højere energi, kendt som en ophidset tilstand. I denne ophidsede tilstand, det cykliske molekyle med seks kulstofatomer i en ring åbner op for et lineært molekyle med seks kulstofkæder. Ringåbningen er drevet af en ekstremt hurtig udveksling af energi mellem atomkernernes bevægelser og de nye, dynamisk elektronisk konfiguration.

Denne lysaktiverede, ringåbningsreaktion af cykliske molekyler er en allestedsnærværende kemisk proces, der er et vigtigt trin i den fotobiologiske syntese af D-vitamin i huden og i optoelektroniske teknologier, der ligger til grund for optisk kobling, optisk datalagring, og fotokromiske enheder.

For at karakterisere den elektroniske struktur under ringåbningsreaktionen af ​​CHD, forskerne udnyttede de unikke egenskaber ved røntgenlys som et kraftfuldt værktøj til kemisk analyse. I deres eksperimenter, forskerne brugte en ultraviolet pumpepuls til at udløse reaktionen og efterfølgende undersøge reaktionens forløb med en kontrollerbar tidsforsinkelse ved hjælp af røntgenblink. På en given tidsforsinkelse efter UV -lysets eksponering, forskerne måler bølgelængder (eller energier) af røntgenlys, der absorberes af molekylet i en teknik kendt som tidsopløst røntgenspektroskopi.

"Nøglen til vores eksperiment er at kombinere de kraftfulde fordele ved røntgenspektroskopi med femtosekunders tidsopløsning, som først for nylig er blevet mulig ved disse fotonergier, "sagde forfatterens hovedforfatter Andrew Attar, en UC Berkeley Ph.D. studerende i kemi. "Vi brugte et nyt instrument til at lave en røntgenspektroskopisk 'film' af elektronerne i CHD-molekylet, da den åbner fra en ring til en lineær konfiguration. De spektroskopiske stillbilleder af vores 'film' koder for et fingeraftryk af det molekylære og elektronisk struktur på et givet tidspunkt. "

For entydigt at afkode de spektroskopiske fingeraftryk, der blev observeret eksperimentelt, en række teoretiske simuleringer blev udført af forskere ved Berkeley Labs Molecular Foundry og Theory Institute for Materials and Energy Spectroscopies (TIMES) på DOE's SLAC National Accelerator Laboratory. Simuleringerne modellerede både ringåbningsprocessen og interaktionen mellem røntgenstrålerne og molekylet under dets transformation.

"Rigdom og kompleksitet af dynamiske røntgenspektroskopiske signaturer, såsom dem, der er fanget i dette studie, kræver en tæt synergi med teoretiske simuleringer, der direkte kan modellere og fortolke de eksperimentelt observerede størrelser, "sagde Das Pemmaraju, projektforsker ved Berkeley Labs afdeling for kemiske videnskaber og en associeret personaleforsker inden for TIMES på SLAC.

Brugen af ​​femtosekund-røntgenpulser på en laboratoriebænkskala er en af ​​de vigtigste teknologiske milepæle, der kommer frem af denne undersøgelse.

"Vi har brugt en bordplade, laserbaseret lyskilde med pulser af røntgenstråler ved energier, der hidtil kun har været begrænset til store anlægskilder, sagde Attar.

Røntgenpulser fremstilles ved hjælp af en proces kendt som højharmonisk generation, hvor de infrarøde frekvenser for en kommerciel femtosekundlaser er fokuseret ind i en heliumfyldt gascelle og, gennem en ikke -lineær interaktion med heliumatomerne, konverteres op til røntgenfrekvenser. De infrarøde frekvenser blev ganget med en faktor på omkring 300.

Forskerne bruger nu instrumentet til at studere utallige lysaktiverede kemiske reaktioner med særlig fokus på reaktioner, der er relevante for forbrænding.

"Disse undersøgelser lover at udvide vores forståelse af den koblede udvikling af molekylær og elektronisk struktur, som er kernen i kemien, sagde Attar.