Dynamisk aspirin - molekylære vibrationer driver elektroner over store afstande

Aspirin er ikke kun et vigtigt lægemiddel, men også et interessant fysikmodelsystem, hvor molekylære vibrationer og elektroner kobles på en bestemt måde. For første gang, Røntgeneksperimenter i ultrakort tidsdomænet gør elektronbevægelser synlige i realtid. De viser, at meget små atomforskydninger forskyder elektroner over meget større afstande inden for aspirinmolekylerne.

Aspirinpiller (figur 1a) består af mange små krystallitter, hvor molekyler af acetylsalicylsyre danner et regelmæssigt rumligt arrangement (figur 1b). Molekylerne kobler sig til hinanden via sammenligneligt svage interaktioner og genererer elektriske felter, der udøver en kraft på elektronerne i hvert molekyle. Ved excitation af molekylære vibrationer, fordelingen af ​​elektroner i rummet og dermed, de kemiske egenskaber bør ændre sig. Selvom dette scenarie har været genstand for teoretisk arbejde, der har hidtil ikke været nogen eksperimentel demonstration og forståelse af den molekylære dynamik.

Forskere fra Max Born Institute i Berlin, Tyskland, har nu fået den første direkte observation af elektronbevægelse under en koblet vibration af aspirinmolekylerne. I en nylig udgave af tidsskriftet Strukturel dynamik , de rapporterer resultaterne af et røntgenforsøg i det ultrakorte tidsdomæne. En ultrakort optisk pumpepuls inducerer vibrationer af aspirinmolekylerne med en vibrationsperiode på cirka et picosekund. En ultrakort hård røntgenpuls, som er forsinket i forhold til pumpepulsen, skilles fra det exciterede pulver af krystallitter for at kortlægge det momentane rumlige arrangement af elektroner via et røntgendiffraktionsmønster.

Animationen i figur 1c viser methylens rotationsbevægelse (CH ₃ ) gruppe af et aspirinmolekyle, som opstår ved vibrationel excitation. I animationen, de atomare forskydninger er kunstigt forstørret for at gøre dem synlige. Metylrotationen er forbundet med et rumligt skift af elektroner over hele aspirinmolekylet (gule skyer, såkaldt isosurface med konstant elektrontæthed). De periodiske elektronbevægelser sker i takt med atomernes vibrationsbevægelser, og de afstande, elektronerne tilbagelægger, er typisk 10000 gange større end atomets forskydninger i methylrotationen. Denne adfærd demonstrerer hybridkarakteren af ​​methylrotationen, som består af både atom- og elektronbevægelser på helt forskellige længdeskalaer. Hybridkarakteren stammer fra den elektriske interaktion mellem aspirinmolekylerne og den dynamiske minimering af elektrostatisk energi i krystallitten.

Disse nye resultater understreger den centrale rolle, hybridmodes har for stabilisering af krystalstrukturen, i overensstemmelse med teoretiske beregninger. I tilfælde af aspirin, denne egenskab favoriserer den såkaldte form 1 af krystalstrukturen sammenlignet med andre molekylære arrangementer. Den stærke modulering af elektronfordelingen ved vibrationer er relevant for talrige krystalstrukturer, hvor elektriske interaktioner hersker. Vibrationsexcitationer af ferroelektriske materialer bør give mulighed for en ultrahurtig omskiftning af den makroskopiske elektriske polarisation og, dermed, føre til nye elektroniske enheder til ekstremt høje frekvenser.