I ricercatori hanno utilizzato impulsi a raggi X ad altissima velocità per realizzare un "filmato" ad alta risoluzione di una molecola sottoposta a movimenti strutturali. La ricerca, pubblicato in Chimica della natura , rivela la dinamica dei processi con dettagli senza precedenti, catturando l'eccitazione di un singolo elettrone nella molecola.

La capacità di vedere i moti molecolari in tempo reale offre approfondimenti sui processi di dinamica chimica che erano impensabili solo pochi decenni fa, dicono i ricercatori, e può infine aiutare nell'ottimizzazione delle reazioni e nella progettazione di nuovi tipi di chimica.

"Per molti anni, i chimici hanno imparato a conoscere le reazioni chimiche essenzialmente studiando le molecole presenti prima e dopo che una reazione si è verificata, "ha detto Brian Stankus, un recente dottorato di ricerca laureato alla Brown University e co-autore del documento. "Era impossibile osservare effettivamente la chimica mentre accade perché la maggior parte delle trasformazioni molecolari avviene molto rapidamente. Ma fonti di luce ultraveloci come quella che abbiamo usato in questo esperimento ci hanno permesso di misurare i movimenti molecolari in tempo reale, e questa è la prima volta che questo tipo di effetti sottili sono stati visti con tale chiarezza in una molecola organica di queste dimensioni".

Il lavoro è una collaborazione tra i chimici di Brown, scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory e chimici teorici dell'Università di Edimburgo nel Regno Unito. Il team era guidato da Peter Weber, professore di chimica alla Brown.

Per lo studio, i ricercatori hanno esaminato i movimenti molecolari che si verificano quando la molecola organica N-metil morfolina è eccitata da impulsi di luce ultravioletta. Gli impulsi a raggi X della Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC sono stati utilizzati per scattare istantanee in diverse fasi della risposta dinamica della molecola.

"Fondamentalmente colpiamo le molecole con la luce UV, che avvia la risposta, e poi frazioni di secondo dopo scattiamo una "foto" - in realtà catturiamo uno schema di dispersione - con un impulso a raggi X, " Stankus ha detto. "Lo ripetiamo più e più volte, con diversi intervalli tra l'impulso UV e l'impulso a raggi X per creare una serie temporale."

I raggi X si diffondono secondo schemi particolari a seconda della struttura delle molecole. Questi modelli vengono analizzati e utilizzati per ricostruire una forma della molecola mentre si svolgono i movimenti molecolari. L'analisi del modello è stata guidata da Haiwang Yong, uno studente laureato alla Brown e co-autore dello studio.

L'esperimento ha rivelato una reazione estremamente sottile in cui solo un singolo elettrone viene eccitato, causando un modello distinto di vibrazioni molecolari. I ricercatori sono stati in grado di visualizzare nei minimi dettagli sia l'eccitazione degli elettroni che la vibrazione atomica.

"Questo documento è una vera pietra miliare perché per la prima volta, siamo stati in grado di misurare con grande chiarezza la struttura di una molecola in uno stato eccitato e con risoluzione temporale, "disse Weber, l'autore corrispondente dello studio.

"Effettuare questo tipo di misurazioni quasi prive di rumore sia in energia che in tempo non è un'impresa da poco, "ha detto Mike Minitti, uno scienziato senior dello staff dello SLAC e coautore dello studio. "Negli ultimi sette anni, la nostra collaborazione ha imparato molto su come utilizzare al meglio i vari sistemi diagnostici LCLS per misurare con precisione le piccole fluttuazioni delle intensità dei raggi X, e in misura ancora maggiore, tracciare i cambiamenti nella scala temporale dei femtosecondi su cui si evolvono le molecole. Tutto ciò ha portato allo sviluppo di routine di analisi dei dati personalizzate che eliminano virtualmente fastidiosi, segnali indesiderati ai nostri dati. Questi risultati dimostrano la fedeltà che possiamo raggiungere".

Un aspetto particolarmente interessante della reazione, dicono i ricercatori, è che è coerente, nel senso che quando gruppi di queste molecole interagiscono con la luce, i loro atomi vibrano di concerto l'uno con l'altro.

"Se possiamo usare esperimenti come questo per studiare come esattamente la luce può essere usata per dirigere il movimento collettivo di miliardi di molecole, possiamo progettare sistemi che possono essere controllati in modo coerente, " ha detto Stankus. "In parole povere:se comprendiamo esattamente come la luce dirige i movimenti molecolari, possiamo progettare nuovi sistemi e controllarli per fare chimica utile."