I en milstolpe för att studera en klass av kemiska reaktioner som är relevanta för nya solceller och minneslagringsenheter, ett internationellt team av forskare som arbetar vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory använde en röntgenlaser för att titta på "molekylär andning"-vågor av subtila in-och ut-rörelser av atomer-i realtid och aldrig tidigare skådade detaljer.

Dessa krusningar av rörelse, ses med SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS), tillät laget att studera hur energi utbyts mellan ljus och elektroner och leder till spänning och så småningom rörelse av atomer i en järnbaserad molekyl som är en modell för att omvandla ljus till elektrisk energi och bytbara små molekylära magneter.

I ett papper publicerat i Naturkommunikation , forskargruppen sa att dessa trovärdigheter, realtidsmätningar av ultrasnabb energidistribution kan ge viktig information för att förstå funktionen hos många kemikalier, fysiska och biologiska ljusinducerade fenomen.

"Det är ett betydande steg i experimentkänslighet som nu gör att vi kan se mer av vad som händer, "säger Diling Zhu, personalvetare på SLAC. "Vi zoomar in i detaljer om molekyler när vi uppnår bättre och bättre upplösning i både rum och tid."

Molekylen de studerade består av en central järnatom fäst vid tre dubbelringade strukturer som kallas bipyridiner.

För att se det "andas, "forskarna slog först molekylen med laserljus och följde omedelbart upp med en röntgenlaserpuls för att undersöka eventuella förändringar.

Laserljuset upphetsade en elektron i den centrala järnatomen, som överfördes till en av de bifogade bipyridinstrukturerna. När elektronen återvände till järnatomen 100 femtosekunder, eller kvadriljondelar av en sekund, senare, det vred på järnets magnetism. Detta fick molekylen att expandera, startar en andningsliknande svängning genom hela strukturen.

Tidigare mätningar i experiment med optiska lasrar hade indirekt avslöjat dessa rörelser, och man misstänkte att böjning av bipyridinbilagorna bidrog till molekylär rörelse.

Men detta experiment med mer direkta signaler från röntgenstrålar visade att denna förklaring var felaktig. Med varje röntgenpuls som bara varar 50 femtosekunder, laget kunde observera den elektroniska excitationen med ljus och följande andningsprocess med mycket kortare intervall än någonsin tidigare och få en mer komplett bild i realtid.

Forskare hoppas att insikter från molekylär andning hjälper dem att förbättra teknik som färgkänsliga solceller och minneslagring.

Sensibiliserade solceller är ett lovande framtida alternativ för billiga men effektiva enheter, men deras ljusabsorberande färgämnen innehåller ofta dyra sällsynta metaller som rutenium. Forskare skulle vilja använda billigare järnbaserade föreningar istället, men magnetisk omkoppling som inducerar den molekylära andningen stoppar flödet av elektrisk ström över en solcell.

"Vi ser två konkurrerande processer i molekylen och deras relation till molekylstruktur. Med denna information, vi kan hitta sätt att ändra molekylstrukturen för att gynna den användbara processen för potentiella tekniska tillämpningar, säger Henrik Lemke, tidigare personalvetare vid SLAC och nu vid SwissFEL:s Paul Scherrer -institut i Schweiz. Lemke är huvudförfattare till studien, som också omfattade forskare från Sverige, Danmark, Italien, och Frankrike, liksom från SLAC.

"För andra applikationer, växeln är faktiskt önskvärd, så vi kunde skapa ett molekylärt minnessystem, "Lemke lägger till." I minneslagringsenheter, en reversibel process kan göra det möjligt för oss att skriva och lagra data med materialet. "

Experimentet markerar ett betydande steg framåt i förmågan att visualisera molekylär dynamik vid LCLS:s röntgenpumpinstrument, som först togs i bruk 2010. För att skapa skarpare bilder av den molekylära rörelsen, forskare vid LCLS har utvecklat nya metoder för att leverera prover till röntgenlaserstrålens väg, samt speciella dataanalystekniker för att ta hänsyn till olika fluktuationer som kan göra experimentet suddigt.

Förbättringarna innebär också att forskare nu kan samla in data av högre kvalitet på kortare tid. Forskare vid LCLS kan nu få information som kan ha tagit veckor att samla in innan på bara några minuter.