En ny studie visar att elektroner sprider pyridinmolekyler på två olika sätt, som visas av den randiga orange konen och den röda spolen, kunde skiljas åt, gör det möjligt för forskare att samtidigt observera hur molekylens kärnor och elektroner reagerar på ljusblixtar. Studien gjordes med SLAC:s "elektronkamera, " MeV-UED. Kredit:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Med hjälp av en höghastighets "elektronkamera" vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, forskare har samtidigt fångat rörelserna av elektroner och kärnor i en molekyl efter att den exciterades med ljus. Detta är första gången detta har gjorts med ultrasnabb elektrondiffraktion, som sprider en kraftfull elektronstråle från material för att fånga upp små molekylära rörelser.
"I denna forskning, vi visar att med ultrasnabb elektrondiffraktion, det är möjligt att följa elektroniska och nukleära förändringar samtidigt som de två komponenterna naturligt avskiljs, " säger Todd Martinez, en Stanford kemiprofessor och Stanford PULSE Institute forskare involverad i experimentet. "Det här är första gången som vi direkt har kunnat se både de detaljerade positionerna för atomerna och den elektroniska informationen samtidigt."
Tekniken skulle kunna göra det möjligt för forskare att få en mer exakt bild av hur molekyler beter sig medan de mäter aspekter av elektroniska beteenden som är kärnan i kvantkemi simuleringar, ger en ny grund för framtida teoretiska och beräkningsmetoder. Teamet publicerade sina resultat idag i Vetenskap .
Skelett och lim
I tidigare forskning, SLAC:s instrument för ultrasnabb elektrondiffraktion, MeV-UED, tillåtet forskare att skapa högupplösta "filmer" av molekyler vid ett vägskäl och strukturella förändringar som uppstår när ringformade molekyler bryter upp som svar på ljus. Men tills nu, instrumentet var inte känsligt för elektroniska förändringar i molekyler.
"Förr, vi kunde spåra atomära rörelser när de hände, " säger huvudförfattaren Jie Yang, en vetenskapsman vid SLAC:s Accelerator Directorate och Stanford PULSE Institute. "Men om du tittar närmare, du kommer att se att kärnorna och elektronerna som utgör atomer också har specifika roller att spela. Kärnorna utgör skelettet av molekylen medan elektronerna är limmet som håller ihop skelettet."
Frysande ultrasnabba rörelser
I dessa experiment, ett team ledd av forskare från SLAC och Stanford University studerade pyridin, som tillhör en klass av ringformade molekyler som är centrala för ljusdrivna processer som UV-inducerad DNA-skada och reparation, fotosyntes och solenergiomvandling. Eftersom molekyler absorberar ljus nästan omedelbart, dessa reaktioner är extremt snabba och svåra att studera. Ultrahöghastighetskameror som MeV-UED kan "frysa" rörelser som sker inom femtosekunder, eller miljondelar av en miljarddels sekund, att tillåta forskare att följa förändringar när de inträffar.
Först, forskarna blinkade laserljus in i en gas av pyridinmolekyler. Nästa, de sprängde de exciterade molekylerna med en kort puls av högenergielektroner, genererar ögonblicksbilder av deras snabbt omarrangerande elektroner och atomkärnor som kan strängas ihop till en stop-motion-film av de ljusinducerade strukturella förändringarna i provet.
Med tidigare metoder, forskare kunde se kväveatomen i en pyridinmolekyl böjas upp och ner när den exciteras av ljus. Med denna nya metod, de kunde också se förändringar i elektrondensitet ske samtidigt. Blå bubblor visar minskande elektrondensitet medan röda visar ökande i förhållande till oexciterad pyridin. Kredit:Jimmy Yu/Stanford University
En ren separation
Teamet fann att elastisk spridningssignaler, produceras när elektroner diffrakterar från en pyridinmolekyl utan att absorbera energi, kodad information om molekylernas nukleära beteende, medan oelastiska spridningssignaler, produceras när elektroner utbyter energi med molekylen, innehöll information om elektroniska ändringar. Elektroner från dessa två typer av spridning uppstod i olika vinklar, gör det möjligt för forskare att rent separera de två signalerna och direkt observera vad molekylens elektroner och kärnor gjorde samtidigt.
"Båda dessa observationer överensstämmer nästan exakt med en simulering som är utformad för att ta hänsyn till alla möjliga reaktionskanaler, säger medförfattaren Xiaolei Zhu, som var postdoktor vid Stanford vid tiden för detta experiment. "Detta ger oss en exceptionellt tydlig bild av samspelet mellan elektroniska och nukleära förändringar."
Kompletterande tekniker
Forskarna tror att denna metod kommer att komplettera utbudet av strukturell information som samlas in genom röntgendiffraktion och andra tekniker vid instrument som SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, som kan mäta exakta detaljer om den kemiska dynamiken på de kortaste tidsskalorna, som nyligen rapporterats för en annan ljusinducerad kemisk reaktion.
"Vi ser att MeV-UED blir mer och mer ett verktyg som kompletterar andra tekniker, " säger medförfattaren och SLAC-forskaren Thomas Wolf. "Det faktum att vi kan få elektroniska och nukleära strukturer i samma datamängd, mätt tillsammans men observerade separat, kommer att ge nya möjligheter att kombinera det vi lär oss med kunskap från andra experiment."
"Ett nytt sätt att se på saker"
I framtiden, denna teknik skulle kunna göra det möjligt för forskare att följa ultrasnabba fotokemiska processer där tidpunkten för elektroniska och nukleära förändringar är avgörande för resultatet av reaktionen.
"Detta öppnar verkligen upp ett nytt sätt att se på saker med ultrasnabb elektrondiffraktion, " säger medförfattaren Xijie Wang, direktör för MeV-UED-instrumentet. "Vi försöker alltid ta reda på hur elektronerna och kärnorna faktiskt samverkar för att göra dessa processer så snabba. Den här tekniken gör att vi kan skilja på vad som kommer först - förändringen av elektronerna eller förändringen i kärnorna. När du får en fullständig bild av hur dessa förändringar utspelar sig, du kan börja förutsäga och kontrollera fotokemiska reaktioner."
