Forskere ser molekyler trække vejret i bemærkelsesværdige detaljer

Som en milepæl for at studere en klasse af kemiske reaktioner, der er relevante for nye solceller og hukommelseslagringsenheder, et internationalt hold af forskere, der arbejder ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, brugte en røntgenlaser til at se "molekylær vejrtrækning" - bølger af subtile ind-og-ud-bevægelser af atomer - i realtid og hidtil usete detaljer.

Disse krusninger af bevægelse, set med SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS), gjorde det muligt for holdet at studere, hvordan energi udveksles mellem lys og elektroner og fører til spændinger og til sidst bevægelse af atomer i et jernbaseret molekyle, der er en model til at transformere lys til elektrisk energi og omskiftelige små molekylære magneter.

I et blad udgivet i Naturkommunikation , forskerholdet sagde disse high fidelity, realtidsmålinger af ultrahurtig energiomfordeling kan give nøgleinformation til at forstå funktionen af ​​mange kemikalier, fysiske og biologiske lys-inducerede fænomener.

"Det er et betydeligt spring i eksperimentfølsomhed, der nu giver os mulighed for at se mere af, hvad der sker, " siger Diling Zhu, stabsforsker ved SLAC. "Vi zoomer ind på detaljerne i molekyler, efterhånden som vi opnår bedre og bedre opløsning i både rum og tid."

Molekylet, de undersøgte, består af et centralt jernatom knyttet til tre dobbeltringede strukturer kendt som bipyridiner.

At se det "træk vejret, "Forskerne ramte først molekylet med laserlys og fulgte straks op med en røntgenlaserpuls for at undersøge eventuelle ændringer, der fandt sted.

Laserlyset exciterede en elektron i det centrale jernatom, som blev overført til en af ​​de vedhæftede bipyridinstrukturer. Da elektronen vendte tilbage til jernatomet 100 femtosekunder, eller kvadrilliontedele af et sekund, senere, det vendte jernets magnetisme. Dette fik molekylet til at udvide sig, udløser en åndelignende svingning gennem hele strukturen.

Tidligere målinger i eksperimenter med optiske lasere havde indirekte afsløret disse bevægelser, og det var mistænkt, at bøjning af bipyridin-vedhæftninger bidrog til den molekylære bevægelse.

Men dette eksperiment med mere direkte signaler fra røntgenstråler viste, at denne forklaring var forkert. Med hver røntgenpuls, der varer kun 50 femtosekunder, holdet kunne observere den elektroniske excitation ved lys og den følgende vejrtrækningsproces med meget kortere intervaller end nogensinde før og opnå et mere komplet billede i realtid.

Forskere håber, at opnået indsigt fra molekylær vejrtrækning vil hjælpe dem med at forbedre teknologier som farvefølsomme solceller og hukommelseslagring.

Sensibiliserede solceller er et lovende fremtidigt alternativ til billige, men effektive enheder, men deres lysabsorberende farvestoffer indeholder ofte dyre sjældne metaller som ruthenium. Forskere vil gerne bruge billigere jernbaserede forbindelser i stedet, men magnetisk omskiftning, der inducerer den molekylære vejrtrækning, stopper strømmen af ​​elektrisk strøm over en solcelle.

"Vi ser to konkurrerende processer i molekylet og deres relation til molekylær struktur. Med denne information, vi kan finde måder at ændre den molekylære struktur for at favorisere den brugbare proces til potentielle tekniske anvendelser, siger Henrik Lemke, tidligere stabsforsker ved SLAC og nu ved SwissFELs Paul Scherrer Institut i Schweiz. Lemke er hovedforfatter af undersøgelsen, som også omfattede forskere fra Sverige, Danmark, Italien, og Frankrig, samt fra SLAC.

"For andre applikationer, skiftet er faktisk ønskeligt, så vi kunne skabe et molekylært hukommelsessystem, " tilføjer Lemke. "I hukommelseslagringsenheder, en reversibel proces kunne sætte os i stand til at skrive og gemme data med materialet."

Eksperimentet markerer et væsentligt skridt fremad i evnen til at visualisere molekylær dynamik ved LCLS's X-ray Pump Probe instrument, som første gang blev taget i brug i 2010. For at generere skarpere billeder af den molekylære bevægelse, forskere ved LCLS har udviklet nye metoder til at levere prøver ind i vejen for røntgenlaserstrålen, samt specielle dataanalyseteknikker til at tage højde for forskellige udsving, der kan sløre eksperimentet.

Forbedringerne betyder også, at forskere nu er i stand til at indsamle data af højere kvalitet på kortere tid. Forskere ved LCLS kan nu få oplysninger, som det kan have taget uger at indsamle før på få minutter.