Figur 1:(a) Aspirinpiller. (b) Kristallstruktur av aspirin som representerar en vanlig, rumsligt periodiskt arrangemang av molekyler. (c) Animationen illustrerar omfördelningen av elektrontätheten under metylgruppens rotation med en period av cirka 1 ps. En enda aspirinmolekyl visas i en boll- och pinne -modell, elektrontätheten som en så kallad isosyta. Isosytan innehåller alla rumsliga positioner vid vilka elektrontätheten har ett särskilt (fast) värde på 1800 elementära laddningar per nanometer (1800 e-/nm3). Ändringar av elektrontäthet resulterar i förändringar av isosytans form. En krympning runt en viss atom illustrerar en förlust av elektronisk laddning medan en expansion speglar en ökning av laddningstätheten. I aspirinmolekylen, kontinuerliga periodiska laddningsrörelser uppstår under metylrotationen, i synnerhet mellan atomerna i kol-6-ringen (vänster) och COOH-karboxenheten (höger). Upphovsman:MBI
Aspirin är inte bara ett viktigt läkemedel, men också ett intressant fysikmodellsystem där molekylära vibrationer och elektroner kopplas på ett särskilt sätt. För första gången, Röntgenförsök inom ultrakort tidsdomän gör elektronrörelser synliga i realtid. De visar att mycket små atomförskjutningar förskjuter elektroner över mycket större avstånd inom aspirinmolekylerna.
Aspirinpiller (figur 1a) består av många små kristalliter där molekyler av acetylsalicylsyra bildar ett regelbundet rumsligt arrangemang (figur 1b). Molekylerna kopplas till varandra via jämförbart svaga interaktioner och genererar elektriska fält som utövar en kraft på elektronerna i varje molekyl. Vid excitation av molekylära vibrationer, fördelningen av elektroner i rymden och, Således, de kemiska egenskaperna bör förändras. Även om detta scenario har varit föremål för teoretiskt arbete, det har hittills inte funnits någon experimentell demonstration och förståelse för molekylär dynamik.
Forskare vid Max Born Institute i Berlin, Tyskland, har nu fått den första direkta observationen av elektronrörelser under en kopplad vibration av aspirinmolekylerna. I ett nytt nummer av tidningen Strukturell dynamik , de rapporterar resultat från ett röntgenförsök inom ultrakort tidsdomän. En ultrakort optisk pumppuls inducerar vibrationer av aspirinmolekylerna med en vibrationsperiod på ungefär en pikosekund. En ultrakort hård röntgenpuls, som är fördröjd i förhållande till pumppulsen, diffrakteras från det exciterade pulvret av kristalliter för att kartlägga det momentana rumsliga arrangemanget av elektroner via ett röntgendiffraktionsmönster.
Animationen i figur 1c visar metylens rotationsrörelse (CH 3 ) grupp av en aspirinmolekyl som uppstår vid vibrationscitation. I animationen, atomförskjutningarna förstoras artificiellt för att göra dem synliga. Metylrotationen är kopplad till ett rumsligt skift av elektroner över hela aspirinmolekylen (gula moln, så kallad isosyta med konstant elektrontäthet). De periodiska elektronrörelserna inträffar i tid med atomernas vibrationsrörelser och avstånden som elektronerna färdas är typiskt 10000 gånger större än atomförskjutningarna i metylrotationen. Detta beteende visar hybridkaraktären hos metylrotationen som består av både atom- och elektronrörelser på helt olika längdskalor. Hybridkaraktären härrör från den elektriska interaktionen mellan aspirinmolekylerna och den dynamiska minimeringen av elektrostatisk energi i kristalliten.
Dessa nya resultat betonar hybridlägenas centrala roll för stabilisering av kristallstrukturen, i överensstämmelse med teoretiska beräkningar. När det gäller aspirin, denna egenskap gynnar den så kallade formen 1 av kristallstrukturen jämfört med andra molekylära arrangemang. Den starka moduleringen av elektronfördelningen genom vibrationer är relevant för många kristallstrukturer där elektriska interaktioner råder. Vibrationella excitationer av ferroelektriska material bör möjliggöra en ultrasnabb omkoppling av den makroskopiska elektriska polarisationen och, Således, leda till nya elektroniska enheter för extremt höga frekvenser.
