Ljusmikroskop har revolutionerat vår förståelse av mikrokosmos, men deras upplösning är begränsad till cirka 100 nanometer. För att se hur molekyler binder, ha sönder, eller ändra deras struktur, vi behöver minst 1000 gånger bättre upplösning.

Laserinducerad elektrondiffraktion (LIED) är en teknik som gör det möjligt att lokalisera de individuella atomerna inuti en enda molekyl, och att se vart varje atom rör sig när molekylen genomgår en reaktion. Denna teknik visade sig vara ett fantastiskt verktyg för avbildningsmolekylerna, som vatten, karbonylsulfid eller koldisulfid. Dock, att använda ett starkt laserfält för att generera elektrondiffraktionen gav utmaningar för att hämta den exakta strukturen, eftersom den strukturella upplösningen berodde på exakt kunskap om själva laserfältet.

I en studie som nyligen publicerades i Naturkommunikation , ICFO-forskare Aurelien Sanchez, Kasra Amini, Tobias Steinle, Xinyao Liu, leds av ICREA Prof. vid ICFO Jens Biegert, i samarbete med forskare från Kansas State University, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, och Friedrich-Schiller-Universität Jena, har rapporterat om ett alternativt och nytt tillvägagångssätt som hämtar korrekt och exakt information om atomstrukturen utan exakt kunskap om laserfältet. De tillämpade framgångsrikt metoden för att avbilda gasfasad molekyl karbonylsulfid (OCS), särskilt på bindningslängderna mellan de ingående atomerna, visar en signifikant böjd och asymmetriskt sträckt konfiguration av den joniserade OCS ⁺ strukturera.

Bestämning av atombindningarna för karbonylsulfid

I deras experiment, forskarna tog en gasblandning av 1% OCS i helium och expanderade den överljudsmässigt för att skapa en molekylär stråle av gasen med en temperatur under 90K. De tog sedan en 3,2 μm laser och exponerade molekylen för det starka laserfältet. Interaktionen mellan lasern och molekylen producerade en accelererad elektron, som frigjordes från molekylen, accelereras in i laserfältet och återvände till måljonen av laserns elektriska fält; återkollisionen av elektronen med jonstrukturen genererade ett molekylärt avtryck av strukturen och, genom att extrahera denna information från elektroninterferensmönstret och spridningsvinkelanalysen, forskarna var kapabla att bestämma molekylens rätta struktur.

Nyhet i tillvägagångssättet

Namnet ZCP-LIED, nyheten med detta tillvägagångssätt ligger i det faktum att forskarna kom på ett mycket smart sätt att hämta atominformationen genom att använda den fullständiga 2D-elektronspridningsinformationen, främst energi- och spridningsvinkelspektra för elektronen i laboratorieramen istället för laserramen, vilket drastiskt förbättrade statistiken över resultaten. Förutom att använda 2D-data istället för 1D-information, de identifierade också ett särdrag i spektra relaterat till vad de kallade positionerna för nollövergångspunkt (ZCP) (där störsignalen visade ett nollvärde). Genom att genomföra analysen av dessa kritiska punkter, forskarna kunde från en mycket mindre datamängd få mer exakt information om bindningslängderna för atomerna som utgör molekylen, minskar beräkningstiden avsevärt.

För validering av deras tillvägagångssätt, de använde olika metoder, jämförde dem med kvantkemi teoretiska simuleringar och bevisar att deras ZCP-LIED-teknik kunde erhålla inter-nukleära avstånd med en mycket högre precision, kunde mäta bindningsavstånd av liknande längd (något ganska omöjligt att göra med tidigare metoder), att den undvek att konvertera referensramar, och kunde bestämma molekylstrukturen i miljöer där bakgrundsbruset kunde vara betydande. Med hänsyn till allt detta, de rapporterade att de fick molekylär information om 10-atoms molekyler, och i synnerhet, för karbonylsulfiden, där de såg att molekylen OCS ⁺ hade en kraftigt böjd och asymmetriskt sträckt struktur, annorlunda än vad tidigare studier hade bestämt för denna molekyl.

Resultaten från denna studie har visat att ZCP-LIED-tekniken kan vara ett mycket kraftfullt verktyg för att bestämma molekylstrukturen hos stora och mer komplexa molekyler. Det skulle också kunna utvidgas till ultrasnabb elektrondiffraktion (UED) och till och med ultrasnabb röntgendiffraktion (UXD) för att spåra de geometriska strukturmolekylerna i en övergående fas.