• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Kemi
    SLAC:s höghastighetselektronkamera filmar molekylär film i HD

    Forskare skapade den första filmen med atomupplösning av ringöppningsreaktionen av 1, 3-cyklohexadien (CHD) med en "elektronkamera" som kallas UED. Nederst:UED-elektronstrålen mäter exakt avstånden mellan par av atomer i CHD-molekylen när reaktionen fortskrider. Avståndet mellan varje par representeras av en färgad linje i grafen. Variationer i avstånden när molekylen ändrar form representerar den molekylära filmen. Överst:Visualisering av molekylstrukturen motsvarande avståndsfördelningen uppmätt vid cirka 380 femtosekunder in i reaktionen (streckad linje längst ner). Kredit:David Sanchez/Stanford University

    Med en extremt snabb "elektronkamera" vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, forskare har gjort den första högupplösta "filmen" av ringformade molekyler som bryter upp som svar på ljus. Resultaten kan främja vår förståelse av liknande reaktioner med viktiga roller inom kemi, såsom produktionen av D-vitamin i våra kroppar.

    En tidigare molekylär film med samma reaktion, producerad med SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, för första gången registrerade de stora strukturella förändringarna under reaktionen. Nu, använder sig av labbets instrument för ultrasnabb elektrondiffraktion (UED), dessa nya resultat ger högupplösta detaljer – visar, till exempel, hur en bindning i ringen går sönder och atomer snurrar runt under längre tid.

    "Detaljerna i denna ringöppningsreaktion har nu fastställts, sa Thomas Wolf, en vetenskapsman vid Stanford Pulse Institute of SLAC och Stanford University och ledare för forskargruppen. "Det faktum att vi nu direkt kan mäta förändringar i bindningsavstånd under kemiska reaktioner gör att vi kan ställa nya frågor om grundläggande processer som stimuleras av ljus."

    SLAC-forskaren Mike Minitti, som var involverad i båda studierna, sa, "Resultaten visar hur våra unika instrument för att studera ultrasnabba processer kompletterar varandra. Där LCLS utmärker sig i att ta ögonblicksbilder med extremt snabba slutartider på bara några femtosekunder, eller miljondelar av en miljarddels sekund, UED höjer den rumsliga upplösningen för dessa ögonblicksbilder. Detta är ett fantastiskt resultat, och studierna validerar varandras resultat, vilket är viktigt när man använder helt nya mätverktyg."

    LCLS-direktör Mike Dunne sa, "Vi gör nu SLAC:s UED-instrument tillgängligt för det breda forskarsamhället, förutom att förbättra de extraordinära kapaciteterna hos LCLS genom att fördubbla dess energiräckvidd och omvandla dess upprepningsfrekvens. Kombinationen av båda verktygen positionerar oss unikt för att möjliggöra bästa möjliga studier av grundläggande processer på ultrasmå och ultrasnabba skalor."

    Teamet rapporterade sina resultat i dag Naturkemi .

    Visualisering av en molekylär film gjord med SLACs elektronkamera, där forskare har fångat i atomär detalj hur en ringformad molekyl öppnar sig under de första 800 miljondelar av en miljarddels sekund efter att ha träffats av en laserblixt. Ringöppnande reaktioner som denna spelar viktiga roller i kemi, såsom den ljusdrivna syntesen av D-vitamin i våra kroppar. Kredit:Thomas Wolf/PULSE Institute

    Molekylär film i HD

    Denna speciella reaktion har studerats många gånger tidigare:När en ringformad molekyl som kallas 1, 3-cyklohexadien (CHD) absorberar ljus, en bindning bryts och molekylen vecklas ut för att bilda den nästan linjära molekylen känd som 1, 3, 5-hexatrien (HT). Processen är ett läroboksexempel på ringöppnande reaktioner och fungerar som en förenklad modell för att studera ljusdrivna processer under D-vitaminsyntes.

    2015, forskare studerade reaktionen med LCLS, vilket resulterade i den första detaljerade molekylära filmen i sitt slag och avslöjade hur molekylen förändrades från en ring till en cigarrliknande form efter att den träffades av en laserblixt. Ögonblicksbilderna, som från början hade begränsad rumslig upplösning, sattes ytterligare i fokus genom datorsimuleringar.

    Den nya studien använde UED - en teknik där forskare skickar en elektronstråle med hög energi, mätt i miljoner elektronvolt (MeV), genom ett prov – för att exakt mäta avstånd mellan par av atomer. Att ta ögonblicksbilder av dessa avstånd med olika intervall efter en första laserblixt och spåra hur de förändras gör att forskare kan skapa en stop-motion-film av de ljusinducerade strukturella förändringarna i provet.

    Elektronstrålen producerar också starka signaler för mycket utspädda prover, såsom CHD-gasen som användes i studien, sa SLAC-forskaren Xijie Wang, direktör för MeV-UED-instrumentet. "Detta gjorde att vi kunde följa ringöppningsreaktionen under mycket längre tidsperioder än tidigare."

    Överraskande detaljer

    De nya uppgifterna avslöjade flera överraskande detaljer om reaktionen.

    This illustration shows snapshots of the light-triggered transition of the ring-shaped 1, 3-cyclohexadiene (CHD) molecule (background) to its stretched-out 1, 3, 5-hexatriene (HT) form (foreground). The snapshots were taken with SLAC's high-speed "electron camera" - an instrument for ultrafast electron diffraction (UED). Kredit:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

    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."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com