Iagttager et molekyls strækning og bøjning i realtid

At kunne se, hvordan molekyler bøjer, strække, bryde eller transformere under kemiske reaktioner kræver state-of-the-art instrumenter og teknikker, der kan observere og spore alle atomerne i et molekyle med høj subatomær rumlig og tidsmæssig opløsning.

For cirka 20 år siden, forskere kom på ideen om at bruge molekylets egne elektroner til at tage snapshots af strukturen og se den molekylære reaktion i realtid. Et gennembrud for billeddannelse af komplekse molekyler kom i 2016, da forskerne, ledet af ICREA Prof. hos ICFO Jens Biegert, opnået den nødvendige rumlige og tidsmæssige opløsning for at tage øjebliksbilleder af molekylær dynamik uden at gå glip af begivenheder, rapportering om billeddannelse af molekylær bindingsbrud i acetylen (C ² H ² ) i Videnskab .

Nu, forskergruppen er gået ud over deres tidligere opdagelse og nået endnu en milepæl. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ), ICFO -forskere Dr. Kasra Amini, Dr. Michele Sclafani, Dr. Tobias Steinle, Aurelien Sanchez, ledet af ICREA Prof. hos ICFO Dr. Jens Biegert, har observeret den strukturelle bøjning og strækning af den triatomiske molekylære forbindelse carbondisulfid, CS ₂ .

For at observere dette fænomen, forskerne brugte laserinduceret elektrondiffraktion, en elektronmikroskopteknik i molekylær skala, der fanger rene øjebliksbilleder af molekylets geometri med kombineret subatomær picometer (pm; 13:00 =10- ¹² m) og attosekund rumlig-tidsmæssig opløsning. De rapporterede, at de ultrahurtige ændringer i molekylstrukturen er drevet af ændringer i molekylets elektroniske struktur, styret af Renner-Teller-effekten. Denne effekt er nøglen til vigtige triatomiske molekyler, såsom kuldisulfid, CS ₂ , da det kan bestemme specifikke kemiske reaktioner i Jordens atmosfære, der kan, for eksempel, påvirke klimaforholdene.

Nu, for første gang, teamet har direkte afbildet denne effekt i deres eksperiment, at få snapshots i realtid, at se molekylet strække sig symmetrisk og bøje i en lineær-til-bøjet strukturel overgang inden for ~ 85 fs (otte lasercyklusser). Dette var muligt takket være brugen af ​​et state-of-the-art kvantemikroskop bestående af:(i) et midtinfrarødt 3,1 µm intens, femtosekundlasersystem, der belyser en enkelt CS ₂ molekyle med 160, 000 laserimpulser pr. Sekund, og (ii) et reaktionsmikroskopspektrometer, der samtidigt kan detektere den fulde tredimensionelle momentumfordeling af elektron- og ionpartiklerne, der genereres fra ioniseringen og sub-cyklus-erindringsbilleddannelse af et enkelt isoleret molekyle.

For at bekræfte deres eksperimentelle fund, holdet udførte også topmoderne kvantedynamiske teoretiske simuleringer, og verificerede matchet mellem teoretiske og observationsresultater, bekræfter, at ultrahurtig lineær-til-bøjet overgang er, Ja, aktiveret af Renner-Teller-effekten. Resultaterne betegner et stort skridt fremad i forståelsen af ​​de underliggende effekter, der finder sted i molekylære dynamiske systemer.