Предыдущий молекулярный фильм той же реакции, снятый с помощью рентгеновского лазера Linac Coherent Light Source (LCLS) SLAC, впервые зафиксировал большие структурные изменения во время реакции. Теперь, используя лабораторный прибор для сверхбыстрой дифракции электронов (UED), эти новые результаты предоставляют детали с высоким разрешением – например, демонстрируя, как разрывается связь в кольце и атомы колеблются в течение продолжительных периодов времени.
«Детали этой реакции открытия кольца теперь установлены», – сказал Томас Вольф, ученый из Стэнфордского института пульса SLAC и Стэнфордского университета и руководитель исследовательской группы. "Тот факт, что теперь мы можем напрямую измерять изменения расстояний между связями во время химических реакций, позволяет нам задавать новые вопросы о фундаментальных процессах, стимулируемых светом."
Ученый SLAC Майк Минитти, принимавший участие в обоих исследованиях, сказал: «Результаты демонстрируют, как наши уникальные инструменты для изучения сверхбыстрых процессов дополняют друг друга. В то время как LCLS выделяется в захвате снимков с чрезвычайно короткой выдержкой всего в несколько фемтосекунд или миллионных долей миллиардной доли секунды, UED повышает пространственное разрешение этих снимков.
Это отличный результат, и исследования подтверждают выводы друг друга, что важно при использовании совершенно новых инструментов измерения."
Директор LCLS Майк Данн сказал: «Теперь мы делаем прибор UED SLAC доступным для широкого научного сообщества, в дополнение к расширению исключительных возможностей LCLS за счет удвоения его энергетической дальности и изменения частоты повторения. Комбинация обоих инструментов дает нам уникальные возможности для наилучшего изучения фундаментальных процессов в сверхмалых и сверхбыстрых масштабах."
Сегодня команда сообщила о своих результатах в журнале Nature Chemistry.
Молекулярный фильм в HD
Эта конкретная реакция уже много раз изучалась раньше: когда кольцевая молекула, называемая 1,3-циклогексадиеном (CHD), поглощает свет, связь разрывается, и молекула разворачивается, образуя почти линейную молекулу, известную как 1,3,5-гексатриен. (HT). Этот процесс является хрестоматийным примером реакций раскрытия кольца и служит упрощенной моделью для изучения процессов, управляемых светом, во время синтеза витамина D.
В 2015 году исследователи изучили реакцию с LCLS, в результате чего был снят первый подробный молекулярный фильм такого рода и показано, как молекула превратилась из кольца в сигару, после того как на нее попала лазерная вспышка. Снимки, изначально имевшие ограниченное пространственное разрешение, были дополнительно сфокусированы с помощью компьютерного моделирования.
В новом исследовании использовался UED – метод, при котором исследователи посылают пучок электронов с высокой энергией, измеряемой в миллионы электронвольт (МэВ), через образец – для точного измерения расстояний между парами атомов. Создание моментальных снимков этих расстояний с разными интервалами после первоначальной лазерной вспышки и отслеживание того, как они меняются, позволяет ученым создавать покадровые видеоролики о структурных изменениях в образце, вызванных светом.
Электронный луч также дает сильные сигналы для очень разбавленных образцов, таких как газ CHD, использованный в исследовании, сказал ученый SLAC Сицзе Ван, директор прибора MeV-UED. "Это позволило нам проследить реакцию открытия кольца в течение гораздо более длительных периодов времени, чем раньше."
Удивительные подробности
Новые данные раскрыли несколько удивительных подробностей о реакции.
Они показали, что движения атомов ускоряются при разрыве кольца CHD, помогая молекулам избавиться от избыточной энергии и ускоряя их переход в вытянутую форму HT.
В фильме также запечатлено, как два конца молекулы HT покачиваются, поскольку молекулы становятся все более и более линейными. Эти вращательные движения продолжались не менее пикосекунды или триллионной доли секунды.
«Я бы никогда не подумал, что эти движения продлятся так долго», – сказал Вольф. "Это демонстрирует, что реакция не заканчивается самим раскрытием кольца и что в процессах, индуцированных светом, существует гораздо более продолжительное движение, чем считалось ранее."
Метод с потенциалом
Ученые также использовали свои экспериментальные данные для проверки недавно разработанного вычислительного подхода для включения движений атомных ядер в моделирование химических процессов.
«UED предоставил нам данные с высоким пространственным разрешением, необходимым для тестирования этих методов», – сказал профессор химии Стэнфордского университета и исследователь PULSE Тодд Мартинез, группа которого руководила вычислительным анализом. «Эта статья представляет собой наиболее прямую проверку наших методов, и наши результаты полностью согласуются с экспериментом."
Вольф сказал: «Мы очень надеемся, что наш метод проложит путь для исследований более сложных молекул, которые еще ближе к изучению. те, которые используются в жизненных процессах."