Et diffraktionsmønster lavet af røntgenstråler, der spreder et jodmolekyle ind i en detektor på SLAC National Accelerator Laboratory. Hundredvis af disse mønstre fra laboratoriets røntgenfri-elektron-laser blev strunget sammen for at skabe en "molekylær film", der viser, hvordan molekylerne reagerede på uventede måder, når de blev ramt med to fotoner af lys på én gang. Forskere siger, at denne nye tilgang bør fungere med større og mere komplekse molekyler, også. Kredit:Bucksbaum group/PULSE Institute
I løbet af de sidste par år har forskere har udviklet fantastiske værktøjer-"kameraer", der bruger røntgenstråler eller elektroner i stedet for almindeligt lys ¬- til at tage hurtigskud af øjebliksbilleder af molekyler i bevægelse og snore dem til molekylære film.
Nu har forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University tilføjet endnu et twist:Ved at indstille deres lasere til at ramme jodmolekyler med to fotoner lys på én gang i stedet for den sædvanlige enkelt foton, de udløste helt uventede fænomener, der blev fanget i slowmotion-film kun billioner af en sekund lang.
Den første film, de lavede med denne tilgang, beskrevet 17. marts i Fysisk gennemgang X , viser, hvordan de to atomer i et jodmolekyle jiggler frem og tilbage, som forbundet med en fjeder, og flyver nogle gange fra hinanden, når de rammes af intens laserlys. Handlingen blev fanget af laboratoriets Linac Coherent Light Source (LCLS) hård røntgenfri elektron-laser. Nogle af molekylernes respons var overraskende, og andre var set før med andre teknikker, sagde forskerne, men aldrig så detaljeret eller direkte, uden at stole på forhåndskendskab til, hvordan de skal se ud.
Foreløbige kig på større molekyler, der indeholder en række atomer, tyder på, at de også kan filmes på denne måde, tilføjede forskerne, giver ny indsigt i molekylær adfærd og fylder et hul, hvor tidligere metoder mangler.
"Det billede, vi fik på denne måde, var meget rigt, "sagde Philip Bucksbaum, professor ved SLAC og Stanford og efterforsker ved Stanford PULSE Institute, der ledede undersøgelsen med PULSE postdoktor Matthew Ware. "Molekylerne gav os tilstrækkelig information til, at du faktisk kunne se atomer bevæge sig over afstande på mindre end en ångstrøm - hvilket er omtrent to brintatoms bredde - på mindre end en billionion af et sekund. Vi har brug for en meget hurtig lukkerhastighed og høj opløsning for at se dette detaljeringsniveau, og lige nu er det kun muligt med en hård røntgenfri elektron-laser som LCLS. "
Dobbeltløbne fotoner
Jodmolekyler er et yndet emne for denne form for undersøgelse, fordi de er enkle - kun to atomer forbundet med en fjedrende kemisk binding. Tidligere undersøgelser, for eksempel med SLACs "elektronkamera, "har undersøgt deres reaktion på lys. Men indtil nu er disse eksperimenter blevet sat op for at starte bevægelse i molekyler ved hjælp af enkeltfotoner, eller lyspartikler.
I dette studie, forskere indstillede intensiteten og farven på en ultrahurtig infrarød laser, så omkring en tiendedel af jodmolekylerne ville interagere med to fotoner lys - nok til at sætte dem vibrerende, men ikke nok til at fjerne deres elektroner.
Dette billede indeholder hundredvis af billeder, eller rammer, af en "molekylær film" lavet med en røntgenfri elektronelaser på SLAC National Accelerator Laboratory. Det afslører, hvordan simple jodmolekyler reagerer på nogle gange uventede måder, når de rammes med to fotoner lys på én gang, en ny tilgang, som forskere siger burde arbejde for større og mere komplekse molekyler, også. Hvert billede repræsenterer et enkelt diffraktionsmønster fremstillet af røntgenstråler, der spreder atomer i et enkelt molekyle, og fremstår som en tynd vandret linje, kun en pixel dyb. Når du ser på et enkelt farvebånd fra bund til top, subtile variationer i linjerne afslører, hvordan positionerne for molekylernes atomer forskydes frem og tilbage mange gange pr. picosekund, eller billioner af et sekund. Kredit:(Bucksbaum group/PULSE Institute
Hvert hit blev straks efterfulgt af en røntgenlaserpuls fra LCLS, som spredte fra jodets atomkerner og ind i en detektor for at registrere, hvordan molekylet reagerede. Ved at variere timingen mellem lys- og røntgenpulser, forskere lavede en række øjebliksbilleder, der blev kombineret til en stop-action film af molekylets reaktion, med rammer på kun 50 femtosekunder, eller milliontedele af en milliarddel af et sekund, en del.
Forskerne vidste at gå ind i at ramme jodmolekylerne med mere end en foton ad gangen ville fremkalde det der er kendt som et ikke -lineært svar, som kan svinge i overraskende retninger. "Vi ville se på noget mere udfordrende, ting vi kunne se, som måske ikke var det vi planlagde, "som Bucksbaum udtrykte det. Og det var faktisk det, de fandt.
Uventede stemninger
Resultaterne afslørede, at lysets energi afstedkom vibrationer, som forventet, med de to jodmolekyler, der hurtigt nærmer sig og trækker sig væk fra hinanden. "Det er en virkelig stor effekt, og selvfølgelig så vi det, "Sagde Bucksbaum.
Men en anden, meget svagere type vibrationer dukkede også op i dataene, "en proces, der er svag nok til, at vi ikke havde forventet at se den, "sagde han." Det bekræfter opdagelsespotentialet ved denne teknik. "
De var også i stand til at se, hvor langt fra hinanden atomerne var, og hvilken vej de tog i starten af hver vibration - enten komprimere eller forlænge bindingen mellem dem - samt hvor lang tid hver type vibration varede.
I kun få procent af molekylerne lyspulserne sendte jodatomerne flyvende fra hinanden frem for at vibrere, skyde i modsatte retninger ved enten hurtige eller langsomme hastigheder. Som med vibrationerne, de hurtige flyoffs var forventet, men de langsomme var ikke.
Bucksbaum sagde, at han forventer, at kemikere og materialeforskere vil være i stand til at gøre god brug af disse teknikker. I mellemtiden, hans team og andre på laboratoriet vil fortsat fokusere på at udvikle værktøjer til at se flere og flere ting, der foregår i molekyler og forstå, hvordan de bevæger sig. "Det er målet her, "sagde han." Vi er filmfotografer, ikke forfatterne, producenter eller skuespillere. Værdien i det, vi gør, er at gøre det muligt for alle de andre ting at ske, arbejder i partnerskab med andre forskere. "