Перший крок у багатьох керованих світлом хімічних реакціях, таких як фотосинтез і людський зір, - це зміна розташування електронів в молекулі, коли вони поглинають енергію світла. Ця тонка перебудова прокладає шлях всьому подальшому процесу і визначає, як протікає реакція.
Тепер вчені вперше побачили цей перший крок безпосередньо, спостерігаючи, як електронна хмара молекули роздувається до того, як будь-яке з атомних ядер в молекулі реагує.
Хоча ця відповідь була передбачена теоретично і виявлена побічно, це перший випадок, коли вона була безпосередньо зображена за допомогою рентгенівських променів у процесі, відомому як молекулярне кіно, кінцева мета якого полягає в тому, щоб спостерігати, як електрони і ядра діють в реальному часі, коли утворюються або розриваються хімічні зв'язки.
«У минулих» молекулярних фільмах «ми змогли побачити, як рухаються атомні ядра під час хімічної реакції», - сказав Пітер Вебер, професор хімії в Університеті Брауна і старший автор доповіді. - Але сам хімічний зв'язок, що є результатом перерозподілу електронів, був невидимий. Тепер двері відкриті для спостереження за зміною хімічних зв'язків під час реакцій ".
Модель для важливих біологічних реакцій
Це була останнє дослідження із серії молекулярних фільмів з 1,3-циклогексадієном або CHD, молекулою у формі кільця, отриманої із соснової олії. У газі низького тиску його молекули вільно плавають і їх легко вивчати, і він служить важливою моделлю для більш складних біологічних реакцій, таких як вироблення вітаміну D при попаданні сонячного світла на шкіру людини.
У дослідженнях, що тривали майже 20 років, вчені вивчали, як кільце CHD розпадається, коли світло потрапляє на нього - спочатку за допомогою методів дифракції електронів, а зовсім недавно за допомогою «електронної камери» SLAC, MeV-UED і рентгенівського лазера на вільних електронах, джерела когерентного світла Linac (LCLS). Ці та інші дослідження по всьому світу показали, як реакція протікає в найдрібніших деталях.
Чотири роки тому дослідники з Брауна, SLAC і Единбурга використовували LCLS для створення молекулярного фільму CHD - першого в історії молекулярного фільму, записаного з використанням рентгенівських променів. Це досягнення було названо одним з 75 найбільш важливих наукових досягнень, поряд з такими відкриттями, як розшифровка ДНК і виявлення нейтрино.
Але жоден з попередніх експериментів не зміг спостерігати початкову стадію перетасовки електронів, тому що не було ніякого способу виявити його, крім набагато більших рухів атомних ядер молекули.
Електрони в центрі уваги
Для цього дослідження експериментальна група використовувала дещо інший підхід: вони вдарили по зразках CHD-газу лазером, який привів молекули в стан, в якому вони перебували протягом відносно тривалого періоду часу - 200 фемтосекунд, або мільйонних часток мільярдної частини секунди, щоб їх електронну структуру можна було «промацати» за допомогою рентгенівських лазерних імпульсів LCLS.
"Рентгенівське розсіювання використовується для визначення структури речовини вже більше 100 років, - говорить Адам Кіррандер, старший викладач Единбурзького університету і співавтор дослідження, - але це перший випадок, коли електронна структура порушеного стану безпосередньо спостерігалася.
Використовуваний метод, званий нерезонансним рентгенівським розсіюванням, вимірює розташування електронів у зразку, і команда вчених сподівалася вловити зміни в розподілі електронів у міру поглинання молекулою світла.
Дуже важливо було спостерігати ці електронні зміни до того, як ядра почнуть рухатися.
«У хімічній реакції атомні ядра рухаються, і важко відокремити цей сигнал від інших частин, які належать до хімічних зв'язків, що утворюються або руйнуються», - кажуть вчені.
«У нашому дослідженні зміна положення атомних ядер порівняно невелика в цьому масштабі часу, тому ми змогли побачити рух електронів відразу після того, як молекула поглинає світло».
"Ми візуалізуємо електрони, коли вони рухаються і переміщуються. Це відкриває шлях до спостереження рухів електронів у розриві та утворенні зв'язків безпосередньо і в реальному часі; у цьому сенсі це схоже на фотографію ".