Ett diffraktionsmönster från röntgenstrålar som sprider en jodmolekyl till en detektor vid SLAC National Accelerator Laboratory. Hundratals av dessa mönster från laboratoriets röntgenfri-elektronlaser lindades ihop för att skapa en "molekylär film" som visar hur molekylerna reagerade på oväntade sätt när de träffades med två fotoner ljus samtidigt. Forskare säger att detta nya tillvägagångssätt borde fungera med större och mer komplexa molekyler, för. Kredit:Bucksbaum group/PULSE Institute
Under de senaste åren, forskare har utvecklat fantastiska verktyg-”kameror” som använder röntgenstrålar eller elektroner istället för vanligt ljus ¬- för att ta snabba bilder av molekyler i rörelse och stränga in dem i molekylära filmer.
Nu har forskare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University lagt till ytterligare en twist:Genom att ställa in sina lasrar för att träffa jodmolekyler med två fotoner ljus på en gång istället för den vanliga enstaka foton, de utlöste helt oväntade fenomen som fångades i slow-motion-filmer bara triljondelar av en sekund lång.
Den första filmen de gjorde med detta tillvägagångssätt, beskrivs den 17 mars Fysisk granskning X , visar hur de två atomerna i en jodmolekyl jigglar fram och tillbaka, som om den är ansluten med en fjäder, och flyger ibland isär när de träffas av intensivt laserljus. Åtgärden fångades av laboratoriets Linac Coherent Light Source (LCLS) hård röntgenfri elektronlaser. Några av molekylernas svar var överraskande och andra hade setts tidigare med andra tekniker, sa forskarna, men aldrig så detaljerat eller så direkt, utan att förlita sig på förhandskunskap om hur de ska se ut.
Preliminära tittar på större molekyler som innehåller en mängd olika atomer tyder på att de också kan filmas på detta sätt, tillade forskarna, ger ny insikt i molekylärt beteende och fyller ett gap där tidigare metoder inte går till rätta.
"Bilden vi fick på detta sätt var väldigt rik, "sa Philip Bucksbaum, professor vid SLAC och Stanford och utredare vid Stanford PULSE Institute, som ledde studien med PULSE postdoktor Matthew Ware. "Molekylerna gav oss tillräckligt med information för att du faktiskt skulle kunna se atomer röra sig över avstånd som är mindre än en ångström - vilket är ungefär två väteatoms bredd - på mindre än en biljonedel av en sekund. Vi behöver en mycket snabb slutartid och hög upplösning för att se denna detaljnivå, och just nu är det bara möjligt med en hård röntgenfri elektronlaser som LCLS. "
Dubbelpipiga fotoner
Jodmolekyler är ett favoritämne för den här typen av undersökningar eftersom de är enkla - bara två atomer som är förbundna med en fjädrande kemisk bindning. Tidigare studier, till exempel med SLAC:s "elektronkamera, "har undersökt deras svar på ljus. Men fram till nu har dessa experiment inrättats för att initiera rörelse i molekyler med hjälp av enstaka fotoner, eller ljuspartiklar.
I den här studien, forskare ställde in intensiteten och färgen på en ultrasnabb infraröd laser så att ungefär en tiondel av jodmolekylerna skulle interagera med två fotoner ljus - tillräckligt för att få dem att vibrera, men inte tillräckligt för att ta bort sina elektroner.
Den här bilden innehåller hundratals bilder, eller ramar, av en "molekylär film" gjord med en röntgenfri elektronlaser vid SLAC National Accelerator Laboratory. Det avslöjar hur enkla jodmolekyler reagerar på ibland oväntade sätt när de träffas med två fotoner ljus samtidigt, ett nytt tillvägagångssätt som forskare säger borde fungera för större och mer komplexa molekyler, för. Varje bild representerar ett enda diffraktionsmönster från röntgenstrålar som sprider av atomer i en enda molekyl, och visas som en tunn horisontell linje, bara en pixel djup. När du tittar på ett enda färgband från botten till toppen, subtila variationer i linjerna avslöjar hur positionerna för molekylernas atomer skiftade fram och tillbaka många gånger per picosekund, eller biljondel av en sekund. Kredit:(Bucksbaum group/PULSE Institute
Varje träff följdes omedelbart av en röntgenlaserpuls från LCLS, som sprids från jodets atomkärnor och in i en detektor för att registrera hur molekylen reagerade. Genom att variera tidpunkten mellan ljus- och röntgenpulserna, forskare skapade en serie ögonblicksbilder som kombinerades till en stop-actionfilm av molekylens svar, med ramar bara 50 femtosekunder, eller miljondelar av en miljarddel av en sekund, isär.
Forskarna visste att gå in i att träffa jodmolekylerna med mer än en foton i taget skulle provocera det som kallas ett olinjärt svar, som kan svänga i överraskande riktningar. "Vi ville titta på något mer utmanande, saker vi kunde se som kanske inte var vad vi planerade, "som Bucksbaum uttryckte det. Och det var faktiskt vad de hittade.
Oväntade vibbar
Resultaten avslöjade att ljusets energi utlöste vibrationer, som förväntat, med de två jodmolekylerna som snabbt närmar sig och drar ifrån varandra. "Det är en riktigt stor effekt, och naturligtvis såg vi det, "Sa Bucksbaum.
Men en annan, mycket svagare typ av vibrationer visade sig också i data, "en process som är tillräckligt svag för att vi inte hade förväntat oss att se den, "sa han." Det bekräftar denna tekniks upptäcktspotential. "
De kunde också se hur långt ifrån varandra atomerna var och åt vilket håll de tog vägen i början av varje vibration - antingen komprimera eller förlänga bindningen mellan dem - liksom hur länge varje typ av vibrationer varade.
I bara några procent av molekylerna, ljuspulserna skickade jodatomerna från varandra istället för att vibrera, skjuta iväg i motsatta riktningar med antingen snabba eller långsamma hastigheter. Som med vibrationerna, de snabba flyoffs förväntades, men de långsamma var det inte.
Bucksbaum sa att han förväntar sig att kemister och materialforskare kommer att kunna använda dessa tekniker på ett bra sätt. Under tiden, hans team och andra på labbet kommer att fortsätta fokusera på att utveckla verktyg för att se fler och fler saker som händer i molekyler och förstå hur de rör sig. "Det är målet här, "sa han." Vi är filmografer, inte författarna, producenter eller skådespelare. Värdet i det vi gör är att låta alla andra saker hända, samarbetar med andra forskare. "
