Mit einer extrem schnellen „Elektronen-Kamera“ an der Abteilung von Energie SLAC National Accelerator Laboratory haben die Forscher gemacht, die erste high-definition „- Film“ der ring-förmigen Moleküle Aufbrechen, die in Reaktion auf Licht. Die Ergebnisse könnten unser Verständnis von ähnlichen Reaktionen mit wichtigen Rollen in der Chemie, wie zum Beispiel die Produktion von vitamin D in unserem Körper.
Eine Vorherige molekularen Films, der die gleiche Reaktion, produziert mit SLAC – Linac Coherent Light Source (LCLS) X-ray-laser, zum ersten mal aufgezeichnet, die großen strukturellen Veränderungen während der Reaktion. Nun, die Nutzung der Labor-die ultrafast electron diffraction (VED -) instrument, diese neuen Ergebnisse bieten eine hohe Auflösung von details-zeigen, wie beispielsweise eine Anleihe in der ring bricht und der Atome wackeln, um für längere Zeit.
„Die details dieses ring-opening reaction haben nun beigelegt ist“, sagte Thomas Wolf, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Stanford Pulse Institute von SLAC und der Universität Stanford und Leiter des Forschungsteams. „Die Tatsache, dass wir nun direkt Messen Veränderungen in bond Entfernungen, die bei chemischen Reaktionen erlaubt uns, neue Fragen zu stellen, um grundlegende Prozesse angeregt durch Licht.“
SLAC Wissenschaftler Mike Minitti, wer daran beteiligt war in beiden Studien, sagte, „Die Ergebnisse zeigen, wie unsere einzigartige Instrumente für die Untersuchung ultraschneller Prozesse ergänzen sich gegenseitig. Wo LCLS zeichnet sich bei der Erfassung von snapshots mit extrem schnellen Verschlusszeiten von nur wenigen Femtosekunden, also Millionstel einer Milliardstel Sekunde, VED-Kurbeln bis die räumliche Auflösung dieser snapshots. Das ist ein tolles Ergebnis, und die Studien validieren einander die Erkenntnisse, die wichtig ist, wenn Sie völlig neue mess-tools.“
LCLS Director Mike Dunne sagte: „Wir sind jetzt dabei, SLAC – VED-instrument zur Verfügung, um der breiten wissenschaftlichen Gemeinschaft, zusätzlich zur Förderung für die außerordentlichen Fähigkeiten der LCLS durch eine Verdoppelung seiner Energie erreicht und der Transformation der Wiederholrate. Die Kombination der beiden Instrumente eindeutig Positionen, die uns ermöglichen, die bestmögliche Studium der grundlegenden Prozesse auf extrem kleinen und ultraschnelle Waage.“
Das team berichteten über Ihre Ergebnisse heute in der Natur-Chemie.
Molekulare Film in HD
Diese Reaktion wurde mehrfach untersucht, bevor: Wenn ein ringförmiges Molekül namens 1,3-cyclohexadiene (KHK) Licht absorbiert, eine Bindung bricht und das Molekül entfaltet sich zu bilden, die nahezu lineare Molekül, bekannt als 1,3,5-hexatriene (HT). Der Prozess ist ein lehrbuch-Beispiel der ring-öffnungs-Reaktionen und dient als Vereinfachtes Modell für das studieren von Licht-getriebene Prozesse während der vitamin-D-Synthese.
Im Jahr 2015, Forscher untersuchten die Reaktion mit LCLS, die zu den ersten detaillierten molekularen Film seiner Art und zeigen, wie sich das Molekül verändert von einem ring zu einem zigarrenartigen Form, nachdem es geschlagen wurde von einer laser-flash. Die Schnappschüsse, die anfänglich begrenzte räumliche Auflösung, gebracht wurden, weiter in den Fokus, die durch computer-Simulationen.
Die neue Studie verwendet VED — eine Technik, die Forscher schicken Sie einem Elektronenstrahl mit hoher Energie, gemessen in Millionen elektronenvolt (MeV), die durch eine Probe — zur genauen Messung von Entfernungen zwischen Paaren von Atomen. Schnappschüsse von diesen Distanzen in verschiedenen Intervallen nach einer ersten laser-flash-und tracking, wie Sie ändern können die Wissenschaftler erstellen einen stop-motion-Film der Licht-induzierte strukturelle Veränderungen in der Probe.
Der Elektronenstrahl erzeugt auch starke Signale für sehr verdünnte Proben, wie der KHK gas in der Studie, sagte SLAC Wissenschaftler Wang Xijie, Direktor des MeV-VED-instrument. „Dies erlaubt es uns, zu Folgen, die ring-öffnungs-Reaktion über sehr viel längere Zeiträume als bisher.“
Überraschende details
Die neuen Daten ergab einige überraschende details über die Reaktion.
Sie zeigten, dass die Bewegungen der Atome beschleunigt als die KHK-ring kaputt ist, helfen die Moleküle entfernen sich von überschüssiger Energie zu und beschleunigt Ihren übergang in die gestreckte-out HT-form.
Der Film auch eingefangen, wie die beiden enden des HT-Molekül wippte herum, wie sich die Moleküle immer mehr und mehr linear. Diese rotatorischen Bewegungen ging für mindestens ein Pikosekunden, oder eine Billionstel Sekunde.
„Ich hätte nie gedacht, dass diese Bewegungen würde so lange dauern,“ Wolf sagte. „Es zeigt, dass die Reaktion nicht zu Ende mit dem ring öffnen sich und es ist viel mehr dauerhafte Bewegung im Licht-induzierte Prozesse als bisher angenommen.“
Eine Methode mit Potenzial
Die Wissenschaftler auch Ihre experimentellen Daten zur Validierung eines neu entwickelten theoretischer Ansatz für die Einbeziehung der Bewegungen von Atomkernen in Simulationen chemischer Prozesse.
„VED, die uns mit Daten, die die hohe räumliche Auflösung erforderlich, um zu testen, diese Methoden,“ sagte Stanford-Chemie-professor und PULS-Forscher Todd Martinez, dessen Gruppe führte die rechnerische Analyse. „Dieses Papier ist der direkteste test der unsere Methoden und unsere Ergebnisse sind in exzellenter übereinstimmung mit dem experiment.“
Neben der Förderung der Vorhersagekraft von computer-Simulationen, die Ergebnisse vertiefen unser Verständnis des Lebens ist die grundlegende Chemische Reaktionen, Wolf, sagte: „Wir sind sehr zuversichtlich, unsere Methode wird den Weg ebnen für die Untersuchung der komplexeren Moleküle sind sogar noch näher an diejenigen, die in Prozesse des Lebens.“