Joner finns överallt, från vår dagliga omgivning till den kosmiska vidden. Eftersom vanligt bordssalt (NaCl) löses upp i natrium (Na + ) och klorid (Cl - ) joner i vatten ger det en salt smak. När de väl har absorberats av kroppen, reglerar dessa joner nervimpulser och muskelrörelser.
I solen genomgår plasma – en ansamling av joner i gasform – kärnfusionsreaktioner, som överför ljus och energi till jorden. En av de mest anmärkningsvärda användningsområdena för joner i vardagen finns i litiumjonbatterier, som driver enheter som smartphones, bärbara datorer och elbilar.
Följaktligen spelar joner avgörande roller i olika aspekter av våra liv, och att förstå jonernas intrikata processer, strukturella egenskaper och dynamik är fortfarande avgörande för framsteg inom vetenskap och teknik. Men att fånga de tillfälliga ögonblicken av jonbildning och deras molekylära strukturella övergångar, särskilt i gasfasen, har visat sig vara utmanande på grund av experimentell komplexitet.
Ledda av direktör Ihee Hyotcherl, har forskare vid Center for Advanced Reaction Dynamics (CARD) vid Institute for Basic Science (IBS) uppnått realtidsfångning av joniseringsprocessen och efterföljande strukturella förändringar i gasfasmolekyler genom en förbättrad mega- elektron-volt ultrasnabb elektrondiffraktion (MeV-UED) teknik, som möjliggör observation av snabbare och finare rörelser av joner.
Regissören Ihees team hade en lång historia av att uppnå banbrytande milstolpar inom molekylär dynamik, såsom brytandet av molekylära bindningar, initieringen av molekylär födelse genom kemisk bindning och den djupgående utforskningen av molekylära strukturer på atomär nivå över hela en kemisk reaktion. Nu för första gången har de framgångsrikt genomfört realtidsobservationer av bildning och strukturell utveckling av gasfasjoner.
För att uppnå detta mål fokuserade teamet på katjoner av 1,3-dibrompropan (DBP). Experimentella data avslöjade ett fascinerande fenomen – katjonen kvarstod i ett strukturellt stabilt tillstånd kallat "mörkt tillstånd" i cirka 3,6 pikosekunder (1 pikosekund motsvarar en biljondels sekund) efter dess bildande.
Denna nya forskning publiceras i tidskriften Nature .
Därefter genomgick katjonen en transformation till en ovanlig mellanprodukt med en ringstruktur som omfattar fyra atomer, inklusive en löst bunden bromatom. Så småningom frigjordes den löst fästa bromatomen, vilket gav upphov till en bromjon som kännetecknas av en ringstruktur bestående av tre atomer.
Med tanke på den höga reaktiviteten hos joner har observationen av deras existens utgjort en långvarig betydande utmaning. Framgången för denna forskning hängde på införlivandet av en nyutvecklad signalbehandlingsteknik och en modelleringsanalysteknik för strukturella förändringar. Ett annat viktigt element var tillämpningen av den resonansförstärkta multifotonjoniseringstekniken (REMPI), som underlättade massproduktionen av specifika joner samtidigt som den förhindrade slumpmässig dissociation av föreningar.
De experimentella fynden visade att de genererade gasjonerna bibehöll en specifik form innan de genomgick plötsliga transformationer, vilket gjorde det möjligt för IBS-teamet att i slutändan klargöra bildandet av kemiskt stabila, ringformade molekyler.
Sedan, genom att utnyttja den innovativa mega-elektron-volt ultrasnabb elektrondiffraktion (MeV-UED) teknik, uppnådde forskargruppen en exakt fångst av subtila strukturella förändringar i joner inom gasfasen. Denna banbrytande teknologi erbjöd högupplöst rumslig och tidsmässig upplösning som krävs för denna forsknings behov, och den möjliggjorde noggrann spårning av hela processen från ögonblicket för jongenerering till efterföljande strukturella transformationer.
Eftersom den här studien var den första som uppnådde realtidsobservation av strukturella förändringar i selektivt genererade joner, hyllas denna studie som ett betydande genombrott inom jonkemiforskning. Den här forskningen representerar en banbrytande prestation inom det vetenskapliga samfundet, och markerar det första exemplet på realtidsobservation av molekylära joners strukturella dynamik.
Genom att främja vår förståelse av joner i gasfasen, ger denna forskning nya perspektiv över olika områden, inklusive mekanismerna för kemiska reaktioner, förändringar i materialegenskaper och astrokemins område. Den förväntade effekten sträcker sig långt bortom jonkemi och påverkar olika vetenskapliga och tekniska discipliner.
Dr. Heo Jun, huvudförfattaren, sa:"Denna upptäckt representerar ett avgörande framsteg i vår grundläggande förståelse av jonkemi, redo att djupgående påverka utformningen av olika kemiska reaktioner och framtida utforskningar inom astrokemi."
Kim Doyeong, den första författaren och en student, delade sina ambitioner och sa:"Att bidra till en studie med potential att lägga grunden för framsteg inom grundläggande vetenskap är verkligen glädjande. Jag är engagerad i ihärdiga forskningsansträngningar för att utvecklas till en skicklig vetenskapsman ."
Professor Hyotcherl sa:"Trots de anmärkningsvärda framstegen inom vetenskap och teknik, finns det många fängslande mysterier kvar i den materiella världen. Denna forskning, även om den avslöjar bara en gåta till av tidigare oupptäckta joner, understryker de djupa hemligheter som väntar på vår utforskning."
Mer information: Hyotcherl Ihee, fånga generering och strukturella transformationer av molekylära joner, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06909-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06909-5
Tillhandahålls av Institute for Basic Science
