Fysikere måler molekylære elektroniske egenskaber af vitaminer

Kvantefysikken lærer os, at uobserverede partikler kan forplante sig gennem rummet som bølger. Dette er filosofisk spændende og af teknologisk relevans:et forskerhold ved universitetet i Wien har vist, at kombinationen af ​​eksperimentel kvanteinterferometri med kvantekemi gør det muligt at udlede information om biomolekylers optiske og elektroniske egenskaber, her eksemplificeret med et sæt vitaminer. Disse resultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition .

Kvanteinterferens og metrologi med molekyler

Selvom vitaminer spiller en central rolle i biologien, deres gasfase fysiske egenskaber er stadig mindre velundersøgte. Potentialet af kvantebaserede metoder i biomolekylære undersøgelser, er nu blevet udforsket på universitetet i Wien. Til det formål, Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger og kollegaer i forskergruppen omkring Markus Arndt ved universitetet i Wien, forberedte molekylære stråler af (pro) vitaminer A, E og K1, det er β-carotin, a-Tocopherol og Phylloquinon. Disse molekyler flyver derefter i højvakuum gennem et arrangement af tre nanogratings. Det første gitter tvinger hvert molekyle gennem en af ​​omkring tusind spalter, hver af dem kun 110 nanometer bred. Ifølge Heisenbergs usikkerhedsprincip, denne indsnævring af den molekylære position medfører en ubestemmelighed af den molekylære flyveretning – molekylet er rumligt "delokaliseret". Dette forbereder bevægelsestilstanden af ​​hvert enkelt molekyle, så det bliver umuligt, selv i princippet, at følge molekylets vej gennem eksperimentet.

Det andet gitter er realiseret med en grøn højeffektlaserstråle, der retroreflekteres ved et spejl inde i vakuumet. En stående lysbølge dannes, dvs. en periodisk række af områder med høj og lav lysintensitet. Når de ankommer til dette andet gitter, er hvert molekyle allerede delokaliseret, således at deres bølgefunktioner dækker flere lyse og mørke områder - selvom disse er mere end hundrede gange længere adskilt end størrelsen af ​​hvert molekyle. Inden for de lyse og mørke zoner, molekylerne er mere eller mindre accelererede. Dette modulerer den udvidede kvantebølgefront. Da molekylerne ikke følger en veldefineret vej, men snarere en superposition af mulige veje gennem maskinen, der opstår et interferensmønster:dette er en periodisk fordeling af sandsynligheder for at finde et molekyle på et givet sted. Dette mønster sammenlignes derefter med det tredje rist, som er en kopi af det første siliciumnitridrist.

Kvantelineal for biomolekyler

Det ultrafine strukturerede interferensmønster bruges som en kvantelineal til at udlæse nanometriske afbøjninger af den molekylære stråle, som er svære at måle med etablerede metoder. Modulationen og positionen af ​​interferensmønsteret tillader derefter at udtrække information om biomolekylernes interaktion med eksterne felter. Dette inkluderer vekselvirkningen med den diffrakterende laserstråle såvel som med et kontrolleret elektrisk felt, der forskyder molekyldensitetsmønsteret. Forskerne bruger dette til at bestemme elektroniske og optiske egenskaber af biologisk relevante molekyler, her (pro)vitaminerne A, E og K1. Pro-vitamin A, for eksempel, spiller en vigtig rolle i fotosyntesen. Lukas Mairhofer, hovedforfatteren af ​​denne undersøgelse, er glad:"Vi har et universelt værktøj til forbedrede målinger af biomolekylære egenskaber."

Sammenligning med molekylære simuleringer

De eksperimentelle resultater blev sammenlignet med simuleringer. Til det formål, klassiske molekylær dynamik simuleringer beskriver tidsudviklingen af ​​den molekylære struktur og kombineres med tæthedsfunktionel teori for at vurdere de elektroniske egenskaber. Dette resulterer i en god overensstemmelse mellem eksperiment og teori. Kombinationen af ​​molekyleinterferometri og kvantekemi tjener som eksempel på det succesfulde samarbejde i grænsefladen mellem kvanteoptik og fysisk kemi.