Kvantmekanik regler. Det dikterar hur partiklar och krafter interagerar, och därmed hur atomer och molekyler fungerar - till exempel vad händer när en molekyl går från ett tillstånd med högre energi till ett lägre energi. Men bortom de enklaste molekylerna, detaljerna blir väldigt komplexa.

"Kvantmekanik beskriver hur allt detta fungerar, "sa Paul Hockett från National Research Council of Canada." Men så snart du går bortom tvåkroppsproblemet, du kan inte lösa ekvationerna. "Så, fysiker måste lita på datorsimuleringar och experiment.

Nu, han och ett internationellt team av forskare från Kanada, Storbritannien och Tyskland har utvecklat en ny experimentell teknik för att ta 3D-bilder av molekyler i aktion. Detta verktyg, han sa, kan hjälpa forskare att bättre förstå kvantmekaniken bakom större och mer komplexa molekyler.

Den nya metoden, beskrivs i Journal of Chemical Physics , kombinerar två tekniker. Den första är en kamera som utvecklats vid Oxford University, kallad Pixel-Imaging Mass Spectrometry (PImMS) kamera. Den andra är en femtosekund vakuum ultraviolett ljuskälla byggd vid NRC femtolabs i Ottawa.

Masspektrometri är en metod som används för att identifiera okända föreningar och att undersöka molekylernas struktur. I de flesta typer av masspektrometri, en molekyl är fragmenterad till atomer och mindre molekyler som sedan separeras med molekylvikt. Vid mass-spektrometri vid tidpunkt för flygning, till exempel, ett elektriskt fält accelererar den fragmenterade molekylen. Hastigheten på dessa fragment beror på deras massa och laddning, så att väga dem, du mäter hur lång tid det tar för dem att träffa detektorn.

De flesta konventionella bilddetektorer, dock, kan inte urskilja exakt när en viss partikel träffar. För att mäta timing, forskare måste använda metoder som effektivt fungerar som fönsterluckor, som släpper igenom partiklar under en kort tidsperiod. Att veta när slutaren är öppen ger information om flygtiden. Men denna metod kan bara mäta partiklar med samma massa, motsvarar den korta tid som slutaren är öppen.

PImMS -kameran, å andra sidan, kan mäta partiklar av flera massor samtidigt. Varje pixel av kamerans detektor kan ta tid när en partikel träffar den. Den tidsinformationen ger en tredimensionell karta över partiklarnas hastigheter, tillhandahållande av en detaljerad 3D-bild av molekylens fragmenteringsmönster.

För att undersöka molekyler, forskarna använde denna kamera med en femtosekund vakuum ultraviolett laser. En laserpuls exciterar molekylen till ett tillstånd med högre energi, och precis som molekylen startar sin kvantmekaniska utveckling - efter några dussin femtosekunder - avges en annan puls. Molekylen absorberar en enda foton, en process som får det att gå sönder. PImMS-kameran tar sedan en 3D-bild av det molekylära skräpet.

Genom att avfyra en laserpuls vid senare och senare tillfällen mot upphetsade molekyler, forskarna kan använda PImMS -kameran för att ta ögonblicksbilder av molekyler i olika stadier medan de faller i lägre energitillstånd. Resultatet är en serie 3-D blå-för-slag bilder av en molekyl som förändrar tillstånd.

Forskarna testade sitt tillvägagångssätt på en molekyl som heter C2F3I. Även om det är en relativt liten molekyl, den splittrades till fem olika produkter i sina experiment. Data- och analysprogramvaran är tillgänglig online som en del av ett open science -initiativ, och även om resultaten är preliminära, Hockett sa, experimenten visar kraften i denna teknik.

"Det är faktiskt en möjliggörande teknik att faktiskt utföra den här typen av experiment alls, "Hockett sa. Det tar bara några timmar att samla in den typ av data som skulle ta några dagar med konventionella metoder, möjliggör experiment med större molekyler som tidigare var omöjliga.

Då kan forskare bättre svara på frågor som:Hur fungerar kvantmekanik i större, mer komplexa system? Hur beter sig upphetsade molekyler och hur utvecklas de?

"Folk har försökt förstå dessa saker sedan 1920 -talet, "Hockett sa." Det är fortfarande ett mycket öppet utredningsfält, forskning, och debattera eftersom molekyler är riktigt komplicerade. Vi måste fortsätta försöka förstå dem. "