Fanget på fersk gerning:Billeder fanger molekylære bevægelser i realtid

Forskere har brugt ultra-højhastigheds røntgenimpulser til at lave en "film" i høj opløsning af et molekyle, der gennemgår strukturelle bevægelser. Forskningen, udgivet i Naturkemi , afslører dynamikken i processerne i hidtil uset detalje - fanger excitationen af ​​en enkelt elektron i molekylet.

Evnen til at se molekylære bevægelser i realtid giver indsigt i kemiske dynamikprocesser, der var utænkelige for blot et par årtier siden, siger forskerne, og kan i sidste ende hjælpe med at optimere reaktioner og designe nye typer kemi.

"I mange år, kemikere har lært om kemiske reaktioner ved i det væsentlige at studere de molekyler, der er til stede før og efter en reaktion har fundet sted, " sagde Brian Stankus, en nylig ph.d. kandidat fra Brown University og medforfatter på papiret. "Det var umuligt rent faktisk at se kemi, som den sker, fordi de fleste molekylære transformationer sker meget hurtigt. Men ultrahurtige lyskilder som den, vi brugte i dette eksperiment, har gjort os i stand til at måle molekylære bevægelser i realtid, og det er første gang, den slags subtile effekter er blevet set med en sådan klarhed i et organisk molekyle af denne størrelse."

Værket er et samarbejde mellem kemikere fra Brown, forskere ved SLAC National Accelerator Laboratory og teoretiske kemikere fra University of Edinburgh i Storbritannien. Holdet blev ledet af Peter Weber, professor i kemi ved Brown.

Til studiet, forskerne så på de molekylære bevægelser, der opstår, når det organiske molekyle N-methylmorpholin exciteres af pulser af ultraviolet lys. Røntgenimpulser fra SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) blev brugt til at tage snapshots på forskellige stadier af molekylets dynamiske respons.

"Vi rammer dybest set molekylerne med UV-lys, som starter reaktionen, og brøkdele af et sekund senere tager vi et "billede" - faktisk fanger vi et spredningsmønster - med en røntgenpuls, " sagde Stankus. "Vi gentager dette igen og igen, med forskellige intervaller mellem UV-pulsen og røntgenpulsen for at skabe en tidsserie."

Røntgenstrålerne spredes i særlige mønstre afhængigt af molekylernes struktur. Disse mønstre analyseres og bruges til at rekonstruere en form af molekylet, efterhånden som de molekylære bevægelser udfolder sig. Denne mønsteranalyse blev ledet af Haiwang Yong, en kandidatstuderende ved Brown og studiets medforfatter.

Eksperimentet afslørede en ekstremt subtil reaktion, hvor kun en enkelt elektron bliver ophidset, forårsager et tydeligt mønster af molekylære vibrationer. Forskerne var i stand til at afbilde både elektronexcitationen og atomvibrationen i fine detaljer.

"Dette papir er en sand milepæl, fordi for første gang, vi var i stand til med stor klarhed at måle strukturen af ​​et molekyle i en exciteret tilstand og med tidsopløsning, " sagde Weber, undersøgelsens tilsvarende forfatter.

"At lave disse typer af næsten støjfrie målinger i både energi og tid er ingen lille bedrift, " sagde Mike Minitti, senior videnskabsmand ved SLAC og studie medforfatter. "I løbet af de sidste syv år, vores samarbejde har lært en hel del om, hvordan man bedst bruger de forskellige LCLS-diagnostik til præcist at måle de små udsving i røntgenintensiteter, og i endnu højere grad, spor femtosekunds tidsskalaændringer, som molekylerne udvikler sig på. Alt dette har informeret udviklingen af ​​tilpassede dataanalyserutiner, der praktisk talt eliminerer irriterende, uønskede signaler til vores data. Disse resultater viser den troskab, vi kan opnå."

Et særligt interessant aspekt af reaktionen, siger forskerne, er, at det er sammenhængende - hvilket betyder, at når grupper af disse molekyler interagerer med lys, deres atomer vibrerer i samspil med hinanden.

"Hvis vi kan bruge eksperimenter som dette til at studere, hvordan præcis lys kan bruges til at styre den kollektive bevægelse af milliarder af molekyler, vi kan designe systemer, der kan styres sammenhængende, " sagde Stankus. "Forenklet sagt:Hvis vi forstår præcis, hvordan lys styrer molekylære bevægelser, vi kan designe nye systemer og kontrollere dem til at lave nyttig kemi."