Первый прямой взгляд на то, как свет возбуждает электроны, чтобы начать химическую реакцию

Первым шагом в многие световые управляемые химические реакции, как и те, что фотосинтез силы и человеческого зрения, сдвиг в расположении молекулы, электроны, как они поглощают энергию света. Это тонкое перераспределение расчищает путь для всего, что следует, и определяет, каким образом протекает реакция.

Теперь ученые увидели в этом первый шаг, впервые за все время, наблюдая, как облако молекулы электрон воздушные шары, прежде чем любой из атомных ядер в молекуле ответить.

Хотя этот ответ был предсказан теоретически и обнаружен косвенно, это первый раз, когда это было прямо изображены с помощью рентгеновских лучей-процесс, известный как молекулярной кино, чья конечная цель заключается в том, чтобы наблюдать, как как электронов, так и ядер, действующих в режиме реального времени при химических связей форма или сломать.

Исследователи из Университета Брауна, Университета Эдинбурга и Национальной лабораторией Министерства энергетики ускорителе ускорителе SLAC сообщили сегодня, что их выводы в природе связи.

«В прошлом молекулярный фильмы, мы смогли увидеть, как атомные ядра движутся в ходе химической реакции,» сказал Питер Вебер, профессор химии в Университете Брауна и ведущий автор доклада. «Но по химическому сама связь, которая является результатом перераспределения электронов, был невидим. Теперь дверь открыта для просмотра химических связей изменяются в ходе реакции».

Модель для важных биологических реакций

Это был последний в серии молекулярных фильмы В ролях 1,3-cyclohexadiene, или ИБС, кольцевидная молекула, получаемое из пихтового масла. При низком давлении молекулы газа свободно плавать и легко учиться, и это служит важной моделью для более сложных биологических реакций, как тот, что вырабатывается витамин Д, когда солнечный свет попадает на кожу.

В исследованиях за последние 20 лет, ученые изучали, как ИБС кольцо распадается, когда свет падает на него-сначала с электронографических методов, а в последнее время ускорителе SLAC в «электрон камеры,» МэВ-ОЗД и рентгеновского лазера на свободных электронах, в линейный ускоритель когерентного источника света (LCLS). Эти и другие исследования по всему миру показали, как реакция протекает в более мелкие и тонкие детали.

Четыре года назад, исследователи из Брауновского, ускорителе SLAC и Эдинбург используется LCLS, чтобы сделать молекулярная фильм ИБС кольцо разлетающихся, — первый в мире молекулярно видеофайлов, записанных с помощью рентгеновских лучей. Это достижение числился одним из 75 наиболее важных научных прорывов выйти из Национальной лаборатории Министерства энергетики, наряду открытий, таких как расшифровка ДНК и обнаружения нейтрино.

Но ни один из этих предыдущих экспериментах удалось наблюдать начального электрона-шаркающий шаг, потому что не было никакого способа, чтобы дразнить его не только гораздо больше движений атомных ядер молекулы.

Электроны в центре внимания

Для этого исследования, создана экспериментальная группа под руководством Вебер взял немного другой подход: они попали образцы ИБС газа с длиной волны лазерного света, который возбужденных молекул в состояние, что живет в течение относительно длительного периода времени-200 фемтосекунд, или миллионные доли миллиардной доли секунды-поэтому их электронная структура может быть исследована с LCLS рентгеновских лазерных импульсов.

«Рассеяние рентгеновских лучей используется для определения строения вещества на протяжении более чем 100 лет», — сказал Адам Kirrander, старший преподаватель в Эдинбурге и старший соавтор исследования, «но это первый раз, когда электронная структура возбужденного состояния непосредственно наблюдались.»

Используется метод, который называется нерезонансного рентгеновского рассеяния, меры расположении электронов в образце, и команда надеется, чтобы отслеживать изменения в распределении электронов в молекуле поглощенный свет. Их измерения подтвердили это предположение: в то время как сигнал от электронов был слаб, исследователи смогли однозначно фиксируют, как электронное облако деформируется более рассеянное облако, соответствующего возбужденного электронного состояния.

Важно соблюдать эти электронные изменения до ядра начали двигаться.

«В химической реакции, атомные ядра двигаются и трудно расхлебывать, что сигнал от других частей, которые принадлежат химических связей формирования или нарушения», — сказал Haiwang Юн, аспирант в Университете Брауна и ведущий автор доклада. «В этом исследовании, изменения в позициях ядер атомов сравнительно невелико в таком масштабе, так что мы смогли увидеть движения электронов прямо после того, как молекула поглощает свет.»

Ускорителе SLAC старший научный сотрудник Михаил Minitti добавил, «Мы визуализации эти электроны, как они двигаются и перемещаются. Это открывает путь для просмотра электронных движений в и вокруг разрыва межатомных связей и образования связи напрямую и в режиме реального времени; в этом смысле он похож на фотографии».

сделать разницу: спонсорские возможности