Bestemmelse af strukturen af ​​et molekyle med laserinduceret elektrondiffraktion

Lysmikroskoper har revolutioneret vores forståelse af mikrokosmos, men deres opløsning er begrænset til omkring 100 nanometer. For at se, hvordan molekyler binder, pause, eller ændre deres struktur, vi har brug for mindst 1000 gange bedre opløsning.

Laser-induceret elektrondiffraktion (LIED) er en teknik, der gør det muligt at lokalisere de individuelle atomer inde i et enkelt molekyle, og for at se, hvor hvert atom bevæger sig, når molekylet gennemgår en reaktion. Denne teknik viste sig at være et fantastisk værktøj til billeddannende molekyler, såsom vand, carbonylsulfid eller carbondisulfid. Imidlertid, at bruge et stærkt laserfelt til at generere elektrondiffraktionen gav udfordringer med at hente den nøjagtige struktur, da den strukturelle opløsning afhang af nøjagtig viden om selve laserfeltet.

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i Naturkommunikation , ICFO-forskere Aurelien Sanchez, Kasra Amini, Tobias Steinle, Xinyao Liu, ledet af ICREA prof. ved ICFO Jens Biegert, i samarbejde med forskere fra Kansas State University, Max-Planck-Institut for Kernphysik, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, og Friedrich-Schiller-Universität Jena, har rapporteret om en alternativ og ny tilgang, der henter nøjagtige og præcise oplysninger om atomstrukturen uden nøjagtig viden om laserfeltet. De anvendte med succes metoden til billeddannelse af gasfaset molekyle carbonylsulfid (OCS), især på bindingslængderne mellem de indgående atomer, viser en betydelig bøjet og asymmetrisk strakt konfiguration af den ioniserede OCS ⁺ struktur.

Bestemmelse af atombindingerne af carbonylsulfid

I deres eksperiment, forskerne tog en gasblanding af 1% OCS i helium og udvidede den supersonisk for at skabe en molekylær stråle af gassen med en temperatur under 90K. De tog derefter en 3,2 μm laser og udsatte molekylet for det stærke laserfelt. Interaktionen mellem laseren og molekylet producerede en accelereret elektron, som blev frigivet fra molekylet, accelereret ind i laserfeltet og vendt tilbage til målionen af ​​laserens elektriske felt; genkollisionen af ​​elektronen med ionstrukturen genererede et molekylært aftryk af strukturen og, ved at udtrække denne information fra elektroninterferensmønsteret og spredningsvinkelanalysen, forskerne var i stand til at bestemme den korrekte struktur af molekylet.

Nyhed af tilgangen

Opkaldt ZCP-LIED, Det nye ved denne tilgang ligger i det faktum, at forskerne fandt på en meget smart måde at hente atominformationen på ved at bruge den fulde 2D-elektronspredningsinformation, hovedsageligt energi- og spredningsvinkelspektrene for elektronen i laboratorierammen i stedet for laserrammen, hvilket drastisk forbedrede statistikken over resultaterne. Udover at bruge 2D-data i stedet for 1D-information, de identificerede også et særpræg i spektre relateret til det, de kaldte nulkrydsningspunktet (ZCP) positionerne (hvor interferenssignalet viste en nulværdi). Ved at udføre analysen af ​​disse kritiske punkter, forskerne var i stand til ud fra et meget mindre datasæt at få mere præcis information om bindingslængderne af de atomer, der udgør molekylet, reducerer beregningstiden ganske betragteligt.

Til validering af deres tilgang, de brugte forskellige metoder, sammenlignede dem med kvantekemi teoretiske simuleringer og bevise, at deres ZCP-LIED teknik kunne opnå inter-nukleare afstande med en meget højere præcision, kunne måle bindingsafstande af lignende længde (noget temmelig umuligt at gøre med tidligere metoder), at den undgik at konvertere referencerammer, og var i stand til at bestemme den molekylære struktur i miljøer, hvor baggrundsstøjen kunne være betydelig. Tager man alt dette i betragtning, de rapporterede at få molekylær information om 10-atom molekyler, og især, for carbonylsulfid, hvor de så, at molekylet OCS ⁺ havde en betydeligt bøjet og asymmetrisk strakt struktur, anderledes end tidligere undersøgelser havde bestemt for dette molekyle.

Resultaterne opnået ved denne undersøgelse har vist, at ZCP-LIED-teknikken kunne være et meget kraftfuldt værktøj til at bestemme molekylstrukturen af ​​store og mere komplekse molekyler. Det kunne også udvides til ultrahurtig elektrondiffraktion (UED) og endda ultrahurtig røntgendiffraktion (UXD) for at spore de geometriske strukturmolekyler i en forbigående fase.