Helium-dråber giver en enkeltmolekylær lasermåling ny præcision

Kemiske reaktioner involverer nødvendigvis molekyler, der kommer sammen, og den måde, de interagerer på, kan afhænge af, hvordan de er justeret i forhold til hinanden. Ved at kende og kontrollere tilpasningen af ​​molekyler, man kan lære meget om, hvordan kemiske reaktioner opstår. Denne uge i Journal of Chemical Physics , forskere fra Aarhus Universitet i Danmark og Institut for Videnskab og Teknologi i Østrig rapporterer om en ny teknik til at tilpasse molekyler ved hjælp af lasere og meget kolde dråber helium.

Denne nye metode justerer molekyler mere skarpt, end det er muligt for de i det væsentlige isolerede molekyler af dem i gasfasen. Dette skyldes det faktum, at et molekyle indlejret i en meget kold dråbe deler den samme lave temperatur som selve dråben, kun 0,4 kelvin, eller -272,75 grader Celsius. Det er kun sjældent muligt at opnå så lave temperaturer for molekyler i gasfasen, så denne teknik lover at åbne et betydeligt nyt regime for studier.

Metoden bruger et par laserimpulser i det, der kaldes en pumpe-probe-metode. Den første puls justerer det enkelte molekyle, når det er blevet deponeret i en heliumdråbe. Den anden laserpuls, sondepulsen, bruges til at bestemme justeringen, sprænge molekylet fra hinanden og adskille det i ioner. Ionerne flyver af sted i bestemte vinkler og kan detekteres ved hjælp af et kamera, der er koblet til en computer.

"At være i stand til at kontrollere justeringen af ​​store molekyler er ingen enkel bedrift, "Henrik Stapelfeldt fra Aarhus Universitet sagde, "fordi som molekyler vokser i størrelse, bliver det stadig sværere at få dem ind i gasfasen og afkøle dem."

Forskerne studerede tre systemer:jod (I2) molekyler, som har en simpel lineær håndvægtform, og yderligere to komplekse molekyler bestående af benzenringe med enten jod- eller bromatomer knyttet til ringen. I alle tre tilfælde, de opnåede stærk justering af et enkelt molekyle indlejret i en kold heliumdråbe med to-puls-teknikken.

Fordi I2 har en simpel lineær form, efterforskerne var bedre i stand til at sammenligne deres eksperimentelle resultater med teoretiske forudsigelser. Dette afslørede, at den laserinducerede justering af molekyler i heliumdråber i det væsentlige var identisk med den i gasfasen, så længe justeringen blev udført adiabatisk, eller gradvist med hensyn til molekylernes reaktioner.

For at udføre adiabatisk justering, den første laserpuls tændes langsommere end den iboende rotationsperiode for det molekyle, der undersøges. Dette tillader et frit roterende jodmolekyle, sige, til stærkt at justere med laserens polarisationsakse, på nogenlunde samme måde, som en kompassnål flugter med jordens magnetfelt.

Fremtidige undersøgelser vil fokusere på at tilpasse større, mere komplekse molekyler i disse kolde heliumdråber, tillader forskere at se kemiske reaktioner udfolde sig i realtid. Stapelfeldt forklarede, at det kan være muligt at justere molekyler så store som proteiner.

"Heliumdråber giver unikke muligheder, " han sagde, "til opbygning af skræddersyede molekylære komplekser, og dermed udvide omfanget af systemer, der kan studeres. "