Observationen av en kemisk reaktion på molekylär nivå i realtid är ett centralt tema i experimentell kemisk fysik. Ett internationellt forskarlag har för första gången fångat roamingmolekylära fragment. Arbetet, under överinseende av Heide Ibrahim, forskarassistent vid Institut national de la recherche scientifique (INRS), publicerades i tidskriften Vetenskap .

Forskargruppen vid Énergie Matériaux Télécommunications Research Centre vid INRS, med stöd av professor François Légaré, har använt Advanced Laser Light Source (ALLS). De har lyckats filma den första molekylära filmen av "roamers" - vätefragment, i det här fallet - som kretsar runt HCO-fragment) under en kemisk reaktion genom att studera fotodissociationen av formaldehyd, H ₂ CO.

En molekylär roadtrip

"Vad vi ser i denna nya upptäckt är att, som på en roadtrip, det slutliga målet är inte känt i början, inte heller är vägen alltid enkel. I allmänhet, molekyler, som människor, Följ den enklaste vägen för att ta dig från punkt A till punkt B för att minimera energiförbrukningen, " förklarar Heide Ibrahim. "Men, ibland kan resenärer besluta sig för att ta en liten omväg." detsamma gäller för fragment av molekyler. Denna process kallas roaming, och upptäcktes först i formaldehydmolekyler 2004. Sedan dess har indirekta spår av vandrande fragment som kallas roamers har upptäckts i många molekylära system.

Dock, det är först nyligen som Dr. Ibrahims team har kunnat "fånga dem längs vägen, " och fångade dem i realtid. Detta är den första direkta observationen av det svårfångade fenomenet roaming som observerats hittills. "Det är som om, efter upptäckten av dinosauriefotspår, en film upptäcktes som visar dem vandra, säger forskaren.

Kartläggning av fragmenten

Förutom roaming, det finns också konventionell dissociation, där molekylen delas i fragment vid excitation av ultrakorta UV-laserpulser. Fragmenten kan nå samma slutprodukter genom att följa direkta vägar (dissociation) eller indirekta vägar (roaming). "För att utföra detta arbete, man kan inte bara vänta på ankomsten av ett fragment vid mållinjen, eftersom detta inte ger någon information om den dynamik den har genomgått. Det var som om resan gjordes utan GPS och vi kunde inte spåra vägen som resenärerna tog, " säger Heide Ibrahim. För att råda bot på detta, teamet hittade ett sätt att identifiera vilket fragment som följde vilken väg genom att placera kontrollpunkter längs rutten; dessa fungerar lite som mobiltorn som gör att en signal kan aktiveras vid en specifik punkt längs rutten.

En av de många utmaningarna i experimenten var relaterad till det faktum att signalen från dessa obestämda molekyler sker statistiskt. Föreställ dig att du vill ta en bild av en resenär på vägen, men du har bara namnet på vägen och han kan passera när som helst under veckan. För att öka svårigheten, den experimentella signalen är ultrasnabb (på en skala av 100 femtosekunder, eller 10 miljarder gånger mindre än en millisekund) samtidigt som den sträcker sig över flera storleksordningar i tid. Tomoyuki Endo, studiens första författare, en tidigare post-doc vid INRS nu vid Kansai Photon Science Institute (Japan), kunde följa "roamers" med hjälp av en teknik som kallas tidsupplöst Coulomb explosion imaging (CEI).

Teamen av Michael Schuurman (National Research Council, Ottawa), Paul Houston (Cornell University, Ithaca, U.S.) och Joel Bowman (Emory University, Atlanta, U.S.) gav teoretiskt stöd på hög nivå vid alla kritiska experimentstadier.

"Resultaten visar att tidsupplöst CEI kan gå utöver avbildningen av koherent molekylär dynamik - här, vi följer statistiska processer med konventionella ultrasnabba lasrar, säger professor Légaré, chef för ALLS-labbet där experimenten ägde rum. "Inom en snar framtid, tack vare framstegen inom lasersystem med hög upprepningshastighet, det kommer att vara möjligt att studera mer komplexa molekyler."

"Även om roaming förblir en svårfångad process som är svår att förstå, detta vetenskapliga genombrott ger insikt i hur man mäter det – såväl som andra statistiska processer som kräver mycket känslig detektering inför störande bakgrundssignaler, " säger Heide Ibrahim. "I slutändan, detta kan bara vara början på ännu en vindlande resa mot några av Moder Naturs hemligheter; roaming är en process vars roll i miljö- och atmosfärskemi bara är i början av att bli förstådd."