Aspirintabletter hjælper med at opklare grundlæggende fysik

Aspirin i form af små krystallitter giver ny indsigt i sarte bevægelser af elektroner og atomkerner. Indstillet til molekylær vibration ved stærke ultrakorte langt-infrarøde (terahertz) pulser, kernerne svinger meget hurtigere end ved svag excitation. De vender gradvist tilbage til deres iboende svingningsfrekvens, parallelt med picosekundets forfald af elektroniske bevægelser. En analyse af terahertz-bølgerne, der udstråles fra de bevægelige partikler ved hjælp af dybdegående teori, afslører den stærkt koblede karakter af elektron og nuklear dynamik, der er karakteristisk for en stor klasse af molekylære materialer.

Baseret på dets fysiologiske aktivitet, aspirin har fundet udbredt farmaceutisk anvendelse inden for forskellige medicinske områder. Ser man på et individuelt aspirinmolekyle fra fysikperspektivet, man kan skelne mellem to typer bevægelser:(i) molekylære vibrationer, dvs. oscillerende bevægelser af atomkernerne i et bredt frekvensområde, blandt dem, f.eks., den hindrede rotation af methylgruppen (film 1) med en frekvens på 6 terahertz (THz) (1 THz =1, 000, 000, 000, 000 oscillationscyklusser pr. Sekund) og (ii) oscillerende bevægelser af elektroner i molekylet omkring 1000 THz (film 2), som fremkaldt, f.eks., ved ultraviolet lys. Mens de forskellige bevægelser kun er svagt koblet i et enkelt aspirinmolekyle, de udvikler en meget stærk elektrisk interaktion i en tæt molekylær emballage, f.eks. i aspirintabletterne fra apoteket. Som resultat, karakteren af ​​bestemte vibrationer, de såkaldte soft modes, ændringer og deres svingningsfrekvens reduceres væsentligt (film 3). Dette komplekse koblingsskema og den resulterende molekylære dynamik er vigtige for, hvordan aspirin og andre molekyler reagerer på en ekstern stimulus. Indtil nu, dette problem er forblevet uløst.

I det aktuelle nummer af Fysisk gennemgangsbreve , forskere fra Max Born Institute i Berlin og University of Luxembourg kombinerer eksperimentelle og teoretiske metoder i top for at afdække de grundlæggende egenskaber ved bløde tilstande. I forsøgene, en sekvens af to faselåste THz-pulser interagerer med en 700 um tyk tablet af polykrystallinsk aspirin. Det elektriske felt, der udstråles af de bevægelige atomer, fungerer som en sonde til kortlægning af soft-mode svingninger i realtid. To-dimensionelle scanninger, hvor tidsforsinkelsen mellem de to THz-pulser varieres, vise en stærk ikke-linearitet af soft-mode responsen i aspirinkrystaller. Denne ikke -linearitet domineres af et markant forbigående skift af soft -mode til højere frekvenser (fig. 1). Svaret viser en ikke-øjeblikkelig karakter med picosekund-henfaldstider, der stammer fra den genererede elektriske polarisering af krystallitterne. Under polariseringens forfald, soft-mode frekvensen vender gradvist tilbage til den værdi, den havde før excitation.

Den teoretiske analyse viser, at stærke elektriske polarisationer i ensemblet af aspirinmolekyler giver den bløde tilstand en hybrid karakter, kombination af nukleare og elektroniske frihedsgrader via dipol-dipol-kobling. I de ikke -spændte aspirinkrystallitter, denne sammenhæng mellem elektroner og kerner bestemmer soft-mode frekvensen. Stærk THz-excitation fremkalder en opdeling af korrelationerne, hvilket resulterer i et forbigående blåt skift af de bløde tilstande og, via den forholdsvis langsomme henfald (dekoherens) af polariseringen, et ikke-øjeblikkeligt svar. Scenariet opdaget her er relevant for en stor klasse af molekylære materialer, især for dem med anvendelser inden for ferroelektrisk.