Første detaljerede kig på, hvordan ladningsoverførsel forvrænger en molekylestruktur

Når lyset rammer bestemte molekyler, det fjerner elektroner, der derefter bevæger sig fra et sted til et andet, skabe områder med positiv og negativ ladning. Denne "ladningsoverførsel" er yderst vigtig på mange områder inden for kemi, i biologiske processer som fotosyntese og i teknologier som halvledere og solceller.

Selvom teorier er blevet udviklet til at forklare og forudsige, hvordan gebyroverførsel fungerer, de er kun blevet indirekte valideret på grund af vanskeligheden ved at observere, hvordan et molekyls struktur reagerer på ladningsbevægelser med den nødvendige atomopløsning og på de krævede ultrahurtige tidsskalaer.

I en ny undersøgelse, et forskerhold ledet af forskere fra Brown University, Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og University of Edinburgh brugte SLACs røntgenfri-elektronlaser til at få de første direkte observationer af molekylære strukturer forbundet med ladningsoverførsel i gasmolekyler ramt med lys.

Molekyler af denne gas, kaldet N, N-dimethylpiperazin eller DMP, er normalt symmetriske, med et nitrogenatom i hver ende. Lys kan slå en elektron ud af et nitrogenatom, efterlader en positivt ladet ion kendt som et 'ladecenter'.

Spændende nok, denne proces er ujævn; lysabsorption skaber et ladningscenter i kun et af de to nitrogenatomer, og denne ladningsubalance deformerer molekylets atomiske stilladser, så atomer kompenserer ved at skifte position i forhold til hinanden. Men inden for tre billioner af et sekund, ladningen omfordeler sig mellem de to nitrogenatomer, indtil den udlignes og molekylerne igen bliver symmetriske, forskerne rapporterer i et papir offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences i dag.

Deres undersøgelse er den første til direkte at observere, hvordan et molekyls struktur ændres, når ladningen omfordeles, med nogle kemiske bindinger, der bliver længere og nogle kortere, før endelig slapper af tilbage til sin oprindelige tilstand.

"Vi ser molekylerne bryde symmetri og reformere symmetri, "sagde Peter Weber, en kemiprofessor ved Brown University, hvis forskningsgruppe begyndte at studere DMP for næsten ti år siden. Han ledede undersøgelsen sammen med Adam Kirrander fra University of Edinburgh og SLAC seniormedarbejder Michael Minitti.

Et skævt svar

Forskere i Webers gruppe, herunder Xinxin Cheng - en ph.d. studerende, der nu er en SLAC -associeret personaleforsker - opdagede molekylets skæve reaktion på lys for otte år siden. Det viste sig, at molekylets nitrogenatomer er den helt rigtige afstand fra hinanden for at gøre det til en ideel model til at studere ladningsoverførsel, en opdagelse, der udløste en masse diskussion blandt teoretikere, der arbejdede med at forstå disse processer samt bestræbelser på at observere dem mere detaljeret.

I denne seneste undersøgelse, Haiwang Yong, en ph.d. studerende i Webers laboratorium, arbejdede sammen med SLAC -forskere for at give en langt mere direkte observation af DMPs reaktion på lys. De ramte DMP -gas med lyspulser efterfulgt af ekstremt korte, ultralette røntgenlaserpulser fra laboratoriets Linac kohærente lyskilde (LCLS). LCLS-røntgenstrålerne spredes fra molekylerne på en måde, der afslørede positionerne for individuelle atomer, længderne af bindinger mellem dem og hvordan de ændrede sig i løbet af bare et par billioner sekunder af et sekund.

"Det er fascinerende at se, hvordan røntgenstrålerne kan løse de ændringer i molekylær struktur, der opstår ved ladningsoverførsel, Sagde Kirrander.

Weber sagde, at resultaterne viser værdien af ​​teknikken til at udtrække mere detaljerede oplysninger end i tidligere eksperimenter. Forskerteamet brugte disse oplysninger til at teste teoretiske modeller for, hvordan molekyler reagerer, afslører fejl i den konventionelle tilgang kendt som densitetsfunktionel teori. Weber bemærkede, at dataene synes at understøtte detaljerede teoretiske beregninger af, hvordan disse gebyroverførsler finder sted af Hannes Jonsson fra Islands Universitet, der ikke var involveret i denne undersøgelse.

Minitti, som har arbejdet med DMP med Brown -lab fra starten og deltaget i denne undersøgelse, sagde, at det har været svært at få en teoretisk forståelse af, hvordan disse asymmetriske systemer fungerer, fordi de eksperimentelle data om dem har været så sparsomme og indirekte.

"Dette arbejde er et vigtigt skridt fremad, " han sagde, "giver os kritisk information om, hvordan molekylet reagerer under ladningsoverførselsprocessen. Forskning som denne tager en landsby - vi har brug for eksperimenter for at informere teorien, og omvendt, for at hjælpe os med at visualisere denne ting. "

Fremadrettet, en stor stigning i pulsrepetitionshastigheden for LCLS røntgenkilden er i gang, med et spring fra 120 pulser pr. sekund til 1 million impulser pr. sekund. Dette vil give forskere mulighed for at studere meget mere komplekse systemer, informere udviklingen af ​​nye tilgange til solenergiproduktion og energilagringsteknologier, blandt mange andre applikationer.