Se først direkte på, hvordan lys exciterer elektroner til at sætte gang i en kemisk reaktion

Det første trin i mange lysdrevne kemiske reaktioner, som dem, der driver fotosyntesen og menneskets syn, er et skift i arrangementet af et molekyles elektroner, når de absorberer lysets energi. Denne subtile omarrangering baner vejen for alt, hvad der følger, og bestemmer, hvordan reaktionen forløber.

Nu har forskere set dette første skridt direkte for første gang, observere, hvordan molekylets elektronsky ballonerer ud, før nogen af ​​atomkernerne i molekylet reagerer.

Mens dette svar er blevet forudsagt teoretisk og detekteret indirekte, det er første gang, det er blevet direkte afbildet med røntgenstråler i en proces kendt som molekylær filmfremstilling, hvis ultimative mål er at observere, hvordan både elektroner og kerner virker i realtid, når kemiske bindinger dannes eller brydes.

Forskere fra Brown University, University of Edinburgh og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory rapporterede deres resultater i Naturkommunikation i dag.

"I tidligere molekylære film, vi har været i stand til at se, hvordan atomkerner bevæger sig under en kemisk reaktion, sagde Peter Weber, en kemiprofessor ved Brown og seniorforfatter af rapporten. "Men selve den kemiske binding, som er et resultat af omfordelingen af ​​elektroner, var usynlig. Nu er døren åben for at se de kemiske bindinger ændre sig under reaktioner."

En model for vigtige biologiske reaktioner

Dette var den seneste i en serie af molekylære film med 1, 3-cyclohexadien, eller CHD, et ringformet molekyle afledt af fyrreolie. I en lavtryksgas flyder dens molekyler frit og er nemme at studere, og det fungerer som en vigtig model for mere komplekse biologiske reaktioner som den, der producerer D-vitamin, når sollys rammer din hud.

I undersøgelser, der går næsten 20 år tilbage, forskere har undersøgt, hvordan CHD's ring går i stykker, når lys rammer den - først med elektrondiffraktionsteknikker, og for nylig med SLAC's "elektronkamera, "MeV-UED, og røntgenfri-elektronlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS). Disse og andre undersøgelser rundt om i verden har afsløret, hvordan reaktionen forløber i finere og finere detaljer.

Fire år siden, forskere fra Brown, SLAC og Edinburgh brugte LCLS til at lave en molekylær film af CHD-ringen, der flyver fra hinanden, - den første molekylære film nogensinde optaget ved hjælp af røntgenstråler. Denne præstation blev opført som et af de 75 vigtigste videnskabelige gennembrud, der er opstået fra et DOE nationalt laboratorium, sideløbende med opdagelser som afkodning af DNA og påvisning af neutrinoer.

Men ingen af ​​disse tidligere eksperimenter var i stand til at observere det indledende elektron-shuffling-trin, fordi der ikke var nogen måde at drille det ud over de meget større bevægelser af molekylets atomkerner.

Elektroner i søgelyset

Til denne undersøgelse, et eksperimentelt hold ledet af Weber tog en lidt anden tilgang:De ramte prøver af CHD-gas med en bølgelængde af laserlys, der exciterede molekylerne til en tilstand, der lever i en relativt lang periode - 200 femtosekunder, eller milliontedele af en milliardtedel af et sekund - så deres elektroniske struktur kunne sonderes med LCLS røntgenlaserimpulser.

"Røntgenspredning er blevet brugt til at bestemme strukturen af ​​stof i mere end 100 år, " sagde Adam Kirrander, en lektor i Edinburgh og senior medforfatter af undersøgelsen, "men det er første gang, den elektroniske struktur af en ophidset tilstand er blevet observeret direkte."

Den anvendte teknik, kaldet ikke-resonant røntgenspredning, måler placeringen af ​​elektroner i en prøve, og holdet håbede at fange ændringer i fordelingen af ​​elektroner, efterhånden som molekylet absorberede lyset. Deres måling udviste den forventning:Mens signalet fra elektronerne var svagt, forskerne var i stand til utvetydigt at fange, hvordan elektronskyen deformerede sig til en større, mere diffus sky svarende til en exciteret elektronisk tilstand.

Det var afgørende at observere disse elektroniske ændringer, før kernerne begyndte at bevæge sig.

"I en kemisk reaktion, atomkernerne bevæger sig, og det er svært at adskille signalet fra de andre dele, der hører til kemiske bindinger, der dannes eller brydes, " sagde Haiwang Yong, en ph.d. studerende ved Brown University og hovedforfatter af rapporten. "I dette studie, ændringen i atomkernernes positioner er forholdsvis lille på den tidsskala, så vi var i stand til at se elektronernes bevægelser lige efter, at molekylet absorberer lys."

SLAC senior videnskabsmand Michael Minitti tilføjede, "Vi afbilder disse elektroner, når de bevæger sig og skifter rundt. Dette baner vejen for at se elektronbevægelser i og omkring bindingsbrud og bindingsdannelse direkte og i realtid; i den forstand ligner det fotografi."