Forskare har använt ultrahöghastighets röntgenpulser för att göra en högupplöst "film" av en molekyl som genomgår strukturella rörelser. Forskningen, publicerad i Naturkemi , avslöjar dynamiken i processerna i oöverträffade detaljer - fångar excitationen av en enda elektron i molekylen.

Möjligheten att se molekylära rörelser i realtid ger insikter i kemiska dynamiska processer som var otänkbara för bara några decennier sedan, säger forskarna, och kan i slutändan hjälpa till att optimera reaktioner och utforma nya typer av kemi.

"Under många år, kemister har lärt sig om kemiska reaktioner genom att i huvudsak studera molekylerna som förekommer före och efter att en reaktion har inträffat, sa Brian Stankus, en ny doktorsexamen examen från Brown University och medledande författare på pappret. "Det var omöjligt att faktiskt titta på kemi som det händer eftersom de flesta molekylära transformationer sker väldigt snabbt. Men supersnabba ljuskällor som den vi använde i detta experiment har gjort det möjligt för oss att mäta molekylrörelser i realtid, och det här är första gången den här typen av subtila effekter har setts med sådan tydlighet i en organisk molekyl av denna storlek. "

Verket är ett samarbete mellan kemister från Brown, forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory och teoretiska kemister från University of Edinburgh i U.K. Teamet leddes av Peter Weber, professor i kemi vid Brown.

För studien, forskarna tittade på de molekylära rörelser som uppstår när den organiska molekylen N-metylmorfolin exciteras av pulser av ultraviolett ljus. Röntgenpulser från SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) användes för att ta ögonblicksbilder i olika stadier av molekylens dynamiska svar.

"Vi träffade i princip molekylerna med UV -ljus, som initierar svaret, och sedan bråkdelar av en sekund senare tar vi en "bild"-faktiskt fångar vi ett spridningsmönster-med en röntgenpuls, "Sa Stankus." Vi upprepar detta om och om igen, med olika intervall mellan UV-pulsen och röntgenpulsen för att skapa en tidsserie. "

Röntgenstrålarna sprider särskilt mönster beroende på molekylernas struktur. Dessa mönster analyseras och används för att rekonstruera en form av molekylen när molekylrörelserna utvecklas. Den mönsteranalysen leddes av Haiwang Yong, en doktorand på Brown och studiens medförfattare.

Experimentet avslöjade en extremt subtil reaktion där endast en enda elektron blir upphetsad, orsakar ett distinkt mönster av molekylära vibrationer. Forskarna kunde avbilda både elektronexcitationen och atomvibrationen i fina detaljer.

"Detta papper är en verklig milstolpe eftersom för första gången, vi kunde mäta strukturen på en molekyl i ett upphetsat tillstånd och med tydlig upplösning, "sa Weber, studiens motsvarande författare.

"Att göra dessa typer av nästan ljudfria mätningar i både energi och tid är ingen liten bedrift, "sa Mike Minitti, en senior personalvetare vid SLAC och studieförfattare. "Under de senaste sju åren har vårt samarbete har lärt oss mycket om hur man bäst använder de olika LCLS-diagnostiken för att exakt mäta de små fluktuationerna i röntgenintensiteter, och i ännu större utsträckning, spåra femtosekundens tidsskala förändringar molekylerna utvecklas på. Allt detta har informerat utvecklingen av anpassade dataanalysrutiner som praktiskt taget eliminerar irriterande, oönskade signaler till våra data. Dessa resultat visar den trohet vi kan uppnå. "

En särskilt intressant aspekt av reaktionen, säger forskarna, är att det är koherent - det vill säga när grupper av dessa molekyler interagerar med ljus, deras atomer vibrerar i samspel med varandra.

"Om vi ​​kan använda experiment som det här för att studera hur exakt ljus kan användas för att styra den kollektiva rörelsen för miljarder molekyler, vi kan designa system som kan styras sammanhängande, "Sade Stankus." Enkelt uttryckt:Om vi ​​förstår exakt hur ljus styr molekylära rörelser, vi kan designa nya system och styra dem för att göra användbar kemi. "