SLACs højhastighedselektronkamera filmer molekylær film i HD

Med et ekstremt hurtigt "elektronkamera" ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, forskere har lavet den første high-definition "film" af ringformede molekyler, der bryder op som reaktion på lys. Resultaterne kunne fremme vores forståelse af lignende reaktioner med vitale roller i kemi, såsom produktionen af ​​D-vitamin i vores kroppe.

En tidligere molekylær film af samme reaktion, produceret med SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser, for første gang registrerede de store strukturelle ændringer under reaktionen. Nu, gør brug af laboratoriets ultrahurtige elektrondiffraktion (UED) instrument, disse nye resultater giver detaljer i høj opløsning – viser, for eksempel, hvordan en binding i ringen går i stykker, og atomer svinger rundt i længere tid.

"Detaljer om denne ringåbningsreaktion er nu afklaret, sagde Thomas Wolf, en videnskabsmand ved Stanford Pulse Institute of SLAC og Stanford University og leder af forskerholdet. "Det faktum, at vi nu direkte kan måle ændringer i bindingsafstande under kemiske reaktioner, giver os mulighed for at stille nye spørgsmål om grundlæggende processer stimuleret af lys."

SLAC videnskabsmand Mike Minitti, som var involveret i begge undersøgelser, sagde, "Resultaterne viser, hvordan vores unikke instrumenter til at studere ultrahurtige processer komplementerer hinanden. Hvor LCLS udmærker sig ved at tage snapshots med ekstremt hurtige lukkertider på kun få femtosekunder, eller milliontedele af en milliardtedel af et sekund, UED øger den rumlige opløsning af disse snapshots. Dette er et flot resultat, og undersøgelserne validerer hinandens resultater, hvilket er vigtigt, når man bruger helt nye måleværktøjer."

LCLS-direktør Mike Dunne sagde, "Vi gør nu SLAC's UED-instrument tilgængeligt for det brede videnskabelige samfund, ud over at forbedre LCLS's ekstraordinære muligheder ved at fordoble dets energirækkevidde og transformere dets gentagelseshastighed. Kombinationen af ​​begge værktøjer positionerer os unikt til at muliggøre de bedst mulige undersøgelser af grundlæggende processer på ultra-lille og ultrahurtige skalaer."

Holdet rapporterede deres resultater i dag i Naturkemi .

Molekylær film i HD

Denne særlige reaktion er blevet undersøgt mange gange før:Når et ringformet molekyle kaldet 1, 3-cyclohexadien (CHD) absorberer lys, en binding brydes, og molekylet folder sig ud og danner det næsten lineære molekyle kendt som 1, 3, 5-hexatrien (HT). Processen er et lærebogseksempel på ringåbningsreaktioner og fungerer som en forenklet model til at studere lysdrevne processer under D-vitaminsyntese.

I 2015 forskere studerede reaktionen med LCLS, hvilket resulterede i den første detaljerede molekylære film af sin art og afslørede, hvordan molekylet ændrede sig fra en ring til en cigarlignende form, efter at det blev ramt af en laserblitz. Øjebliksbillederne, som oprindeligt havde begrænset rumlig opløsning, blev bragt yderligere i fokus gennem computersimuleringer.

Den nye undersøgelse brugte UED - en teknik, hvor forskere sender en elektronstråle med høj energi, målt i millioner af elektronvolt (MeV), gennem en prøve - for præcist at måle afstande mellem par af atomer. At tage snapshots af disse afstande med forskellige intervaller efter et indledende laserblink og spore, hvordan de ændrer sig, giver forskerne mulighed for at lave en stop-motion-film af de lysinducerede strukturelle ændringer i prøven.

Elektronstrålen producerer også stærke signaler for meget fortyndede prøver, såsom CHD-gassen, der blev brugt i undersøgelsen, sagde SLAC videnskabsmand Xijie Wang, direktør for MeV-UED instrumentet. "Dette gjorde det muligt for os at følge ringåbningsreaktionen over meget længere perioder end før."

Overraskende detaljer

De nye data afslørede flere overraskende detaljer om reaktionen.

They showed that the movements of the atoms accelerated as the CHD ring broke, helping the molecules rid themselves of excess energy and accelerating their transition to the stretched-out HT form.

The movie also captured how the two ends of the HT molecule jiggled around as the molecules became more and more linear. These rotational motions went on for at least a picosecond, or a trillionth of a second.

"I would have never thought these motions would last that long, " Wolf said. "It demonstrates that the reaction doesn't end with the ring opening itself and that there is much more long-lasting motion in light-induced processes than previously thought."

A method with potential

The scientists also used their experimental data to validate a newly developed computational approach for including the motions of atomic nuclei in simulations of chemical processes.

"UED provided us with data that have the high spatial resolution needed to test these methods, " said Stanford chemistry professor and PULSE researcher Todd Martinez, whose group led the computational analysis. "This paper is the most direct test of our methods, and our results are in excellent agreement with the experiment."

In addition to advancing the predictive power of computer simulations, the results will help deepen our understanding of life's fundamental chemical reactions, Wolf said:"We're very hopeful our method will pave the way for studies of more complex molecules that are even closer to the ones used in life processes."