När ljuset träffar vissa molekyler, det lossnar elektroner som sedan rör sig från en plats till en annan, skapa områden med positiv och negativ laddning. Denna "laddningsöverföring" är mycket viktig inom många områden inom kemi, i biologiska processer som fotosyntes och i teknik som halvledaranordningar och solceller.

Även om teorier har utvecklats för att förklara och förutsäga hur laddningsöverföring fungerar, de har validerats endast indirekt på grund av svårigheten att observera hur en molekyls struktur reagerar på laddningsrörelser med den nödvändiga atomupplösningen och på de erforderliga ultrasnabba tidsskalorna.

I en ny studie, ett forskargrupp som leds av forskare från Brown University, Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och University of Edinburgh använde SLACs röntgenfri-elektronlaser för att göra de första direkta observationerna av molekylstrukturer i samband med laddningsöverföring i gasmolekyler träffade ljus.

Molekyler av denna gas, heter N, N-dimetylpiperazin eller DMP, är normalt symmetriska, med en kväveatom i varje ände. Ljus kan slå ut en elektron ur en kväveatom, lämnar en positivt laddad jon som kallas ett 'laddningscentrum'.

Intressant nog, denna process är ojämn; ljusabsorption skapar ett laddningscentrum i bara en av de två kväveatomerna, och denna laddningsobalans deformerar molekylens atomiska ställningar, så atomer kompenserar genom att skifta position i förhållande till varandra. Men inom tre biljondelar av en sekund, laddningen omfördelar sig mellan de två kväveatomerna tills den jämnar ut och molekylerna blir symmetriska igen, forskarna rapporterar i ett papper publicerat i Förfaranden från National Academy of Sciences i dag.

Deras studie är den första som direkt observerar hur en molekyls struktur förändras när laddning omfördelas, med några kemiska bindningar som blir längre och några kortare, innan han äntligen slappnar av till sitt ursprungliga tillstånd.

"Vi ser molekylerna bryta symmetri och reformera symmetri, "sa Peter Weber, en kemiprofessor vid Brown University vars forskargrupp började studera DMP för nästan ett decennium sedan. Han ledde studien med Adam Kirrander vid University of Edinburgh och SLAC:s seniorvetare Michael Minitti.

Ett snett svar

Forskare i Webers grupp, inklusive Xinxin Cheng - en doktorsexamen student som nu är SLAC -associerad personalvetare - upptäckte molekylens snedställda svar på ljus för åtta år sedan. Det visade sig att molekylens kväveatomer är precis lagom avstånd från varandra för att göra den till en idealisk modell för att studera laddningsöverföring, en upptäckt som utlöste mycket diskussion bland teoretiker som arbetar för att förstå dessa processer samt ansträngningar att observera dem mer i detalj.

I denna senaste studie, Haiwang Yong, en doktorsexamen student i Webers lab, arbetat med SLAC -forskare för att ge en mycket mer direkt observation av DMP:s svar på ljus. De träffade DMP -gas med ljuspulser följt av extremt korta, ultralätta röntgenlaserpulser från laboratoriets Linac Coherent Light Source (LCLS). LCLS-röntgenstrålarna sprids från molekylerna på ett sätt som avslöjade positionerna för enskilda atomer, längderna på bindningarna mellan dem och hur de förändrades under bara några biljoner sekunder av en sekund.

"Det är fascinerande att se hur röntgenstrålarna kan lösa förändringarna i molekylstrukturen som uppstår genom laddningsöverföring, Sa Kirrander.

Weber sa att resultaten visar värdet av tekniken för att extrahera mer detaljerad information än i tidigare experiment. Forskargruppen använde den informationen för att testa teoretiska modeller av hur molekyler svarar, avslöjar brister i det konventionella tillvägagångssättet som kallas densitetsfunktionell teori. Weber noterade att uppgifterna verkar stödja detaljerade teoretiska beräkningar av hur dessa avgifter överförs av Hannes Jonsson vid Islands universitet, som inte var inblandad i denna studie.

Minitti, som har arbetat med DMP med Brown -labbet från början och deltagit i denna studie, sa att det har varit svårt att få en teoretisk förståelse för hur dessa asymmetriska system fungerar eftersom de experimentella uppgifterna om dem har varit så glesa och indirekta.

"Detta arbete är ett viktigt steg framåt, " han sa, "ger oss kritisk information om hur molekylen reagerar under laddningsöverföringsprocessen. Forskning som denna tar en by - vi behöver experiment för att informera teorin, och vice versa, för att hjälpa oss att visualisera det här. "

Går framåt, en stor ökning av pulsrepetitionsfrekvensen för LCLS-röntgenkällan pågår, med ett språng från 120 pulser per sekund till 1 miljon pulser per sekund. Detta gör det möjligt för forskare att studera mycket mer komplexa system, informera utvecklingen av nya metoder för solenergiproduktion och energilagringsteknik, bland många andra applikationer.