Med hjälp av femtosekundspulser av röntgenstrålar har forskare tagit en detaljerad titt på hur de kemiska bindningarna mellan atomer vibrerar efter att ljus har absorberats. Resultaten har implikationer för att förstå olika kemiska reaktioner och kan till och med hjälpa till vid utformningen av nya material.

Det mesta som är känt om kemiska bindningar kommer från att studera molekyler i vila. Men när molekyler absorberar ljus börjar deras ingående atomer vibrera, vilket snabbt ändrar formen på deras kemiska bindningar. Detta kan dramatiskt förändra hur molekyler reagerar med varandra.

Att studera atomernas dynamik på dessa ultrasnabba tidsskalor har varit svårt, men på senare år har nya röntgenkällor öppnat upp för nya möjligheter. Vid Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenfri elektronlaser vid SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Kalifornien, har forskare utvecklat en innovativ teknik som kallas högenergi-upplösning off-resonant spektroskopi, eller HEROS.

Det går ut på att föra högenergielektroner som har synkroniserats med en laserpuls genom de oscillerande molekylerna och sedan analysera hur elektronerna sprids bort i olika vinklar. Detta gör det möjligt för forskare att direkt observera hur längderna och vinklarna på molekylens kemiska bindningar förändras i realtid.

I ett proof-of-concept-experiment studerade teamet kolmonoxidmolekyler som träffades av en femtosekundlaserpuls vid SLAC. Experimenten mätte, i realtid, de tidsberoende förändringarna i kol-syrebindningens längd efter att ljus absorberats.

"Vi vill förstå hur energi flödar mellan olika delar av molekylen", säger Giulia Pinardi, en postdoktor vid SLAC och huvudförfattare till en studie publicerad i Physical Review Letters den 17 december. "Om det kan hända på en mycket kort tid tidsskala kan det påverka vad molekylen slutar göra."

I det här fallet vibrerar kolmonoxid efter ljusabsorption, vilket förhindrar att molekylen dissocierar till fria kol- och syreatomer. Genom att fånga denna rörelse i detalj kan teamet lära sig mycket om hur molekylära vibrationer påverkar kemisk reaktivitet.

I framtiden planerar teamet att använda HEROS-tekniken för att undersöka mer specifika molekylära rörelser. De vill också följa kemiska reaktioner i mer komplexa molekyler som kan vara relevanta för design av nya läkemedel eller material.

"HEROS är i grunden som stroboskopfotografering," sa medförfattaren Mike Minitti. "Vi kan ta en serie ögonblicksbilder med en röntgenlaser för att se rörelserna när en reaktion går framåt. Det är något nytt och är ett bevis på röntgenlasern."