研究人员使用超高速X射线脉冲来制作分子经历结构运动的高分辨率“电影”。该研究发表在“ 自然化学”杂志上,以前所未有的细节揭示了这一过程的动态 - 捕获分子中单个电子的激发。

研究人员说,实时观察分子运动的能力提供了几十年前无法想象的化学动力学过程的见解,并可能最终有助于优化反应和设计新型化学。

“多年来,化学家们通过基本研究反应发生前后存在的分子来了解化学反应,”最近获得博士学位的Brian Stankus说。毕业于布朗大学,并在论文中担任共同主要作者。“实际观察化学是不可能的,因为大多数分子转化很快发生。但是像我们在这个实验中使用的超快光源使我们能够实时测量分子运动,这是第一次这样的分类在这种尺寸的有机分子中,已经看到了如此清晰的细微效果。“

这项工作是来自布朗的化学家,SLAC国家加速器实验室的科学家和英国爱丁堡大学的理论化学家之间的合作。该团队由布朗化学教授彼得韦伯领导。

在研究中,研究人员观察了当有机分子N-甲基吗啉被紫外线脉冲激发时发生的分子运动。来自SLAC的Linac相干光源(LCLS)的X射线脉冲用于在分子的动态响应的不同阶段拍摄快照。

“我们基本上用紫外光击中了分子,这引发了反应,然后在一秒钟之后,我们拍摄了一张”照片“ - 实际上我们用X射线脉冲捕捉散射图案,”Stankus说。“我们一遍又一遍地重复这一过程,在紫外脉冲和X射线脉冲之间有不同的间隔,以创建一个时间序列。”

X射线以特定的图案散射,这取决于分子的结构。分析这些模式并用于在分子运动展开时重建分子的形状。该模式分析由Brown的研究生Haiwang Yong领导,该研究的共同主要作者。

该实验揭示了一种极其微妙的反应,其中只有一个电子被激发,从而产生明显的分子振动模式。研究人员能够精细地对电子激发和原子振动进行成像。

“这篇论文是一个真正的里程碑,因为我们第一次能够非常清晰地测量激发态和时间分辨率的分子结构,”该研究的相应作者韦伯说。

“在能源和时间上进行这些几乎无噪音的测量都是不小的壮举,”SLAC和研究合着者的高级科学家Mike Minitti说。“在过去七年中,我们的合作已经学到了很多关于如何最好地使用各种LCLS诊断来精确测量X射线强度的微小波动,并在更大程度上跟踪飞秒时间尺度变化的分子进化所有这些都促成了定制数据分析程序的开发,这些程序几乎可以消除我们数据中令人讨厌的不需要的信号。这些结果证明了我们可以实现的保真度。

研究人员说,这个反应的一个特别有趣的方面是,它是连贯的 - 这意味着当这些分子的基团与光相互作用时,它们的原子会相互协同振动。

“如果我们可以使用这样的实验来研究如何使用光来指导数十亿分子的集体运动,我们就可以设计出可以连贯控制的系统,”Stankus说。“简单地说:如果我们确切地了解光如何引导分子运动,我们就可以设计新系统并控制它们进行有用的化学反应。”