Un nuovo studio mostra che gli elettroni disperdono le molecole di piridina in due modi diversi, come mostrato dal cono arancione a strisce e dalla bobina rossa, potrebbe essere separato, consentendo ai ricercatori di osservare contemporaneamente come i nuclei e gli elettroni della molecola rispondono ai lampi di luce. Lo studio è stato condotto con la "fotocamera elettronica" di SLAC, " MeV-UED. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Utilizzando una "telecamera elettronica" ad alta velocità presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia, gli scienziati hanno catturato simultaneamente i movimenti di elettroni e nuclei in una molecola dopo che è stata eccitata con la luce. Questo segna la prima volta che questo è stato fatto con la diffrazione elettronica ultraveloce, che disperde un potente fascio di elettroni dai materiali per raccogliere piccoli movimenti molecolari.
"In questa ricerca, mostriamo che con la diffrazione elettronica ultraveloce, è possibile seguire i cambiamenti elettronici e nucleari districando naturalmente i due componenti, "dice Todd Martinez, un professore di chimica di Stanford e ricercatore dello Stanford PULSE Institute coinvolto nell'esperimento. "Questa è la prima volta che siamo stati in grado di vedere direttamente sia le posizioni dettagliate degli atomi che le informazioni elettroniche allo stesso tempo".
La tecnica potrebbe consentire ai ricercatori di ottenere un quadro più accurato di come si comportano le molecole durante la misurazione degli aspetti dei comportamenti elettronici che sono al centro delle simulazioni di chimica quantistica, fornendo una nuova base per i futuri metodi teorici e computazionali. Il team ha pubblicato oggi i risultati su Scienza .
Scheletri e colla
In precedenti ricerche, Lo strumento SLAC per la diffrazione elettronica ultraveloce, MeV-UED, ha permesso ai ricercatori di creare "filmati" ad alta definizione di molecole a un bivio e cambiamenti strutturali che si verificano quando le molecole a forma di anello si rompono in risposta alla luce. Ma fino ad ora, lo strumento non era sensibile ai cambiamenti elettronici nelle molecole.
"Nel passato, siamo stati in grado di tracciare i movimenti atomici mentre avvenivano, " dice l'autore principale Jie Yang, uno scienziato presso l'Accelerator Directorate di SLAC e lo Stanford PULSE Institute. "Ma se guardi più da vicino, vedrai che anche i nuclei e gli elettroni che compongono gli atomi hanno ruoli specifici da svolgere. I nuclei costituiscono lo scheletro della molecola mentre gli elettroni sono la colla che tiene insieme lo scheletro".
Congelamento dei movimenti ultraveloci
In questi esperimenti, un team guidato da ricercatori dello SLAC e della Stanford University stava studiando la piridina, che appartiene a una classe di molecole a forma di anello che sono fondamentali per i processi guidati dalla luce come il danno e la riparazione del DNA indotti dai raggi UV, fotosintesi e conversione dell'energia solare. Poiché le molecole assorbono la luce quasi istantaneamente, queste reazioni sono estremamente veloci e difficili da studiare. Le telecamere ad altissima velocità come MeV-UED possono "congelare" i movimenti che si verificano entro femtosecondi, o milionesimi di miliardesimo di secondo, per consentire ai ricercatori di seguire i cambiamenti man mano che si verificano.
Primo, i ricercatori hanno proiettato la luce laser in un gas di molecole di piridina. Prossimo, hanno fatto esplodere le molecole eccitate con un breve impulso di elettroni ad alta energia, generando istantanee dei loro elettroni e nuclei atomici in rapida riorganizzazione che possono essere messi insieme in un film in stop-motion dei cambiamenti strutturali indotti dalla luce nel campione.
Con i metodi precedenti, i ricercatori hanno potuto osservare l'atomo di azoto in una molecola di piridina piegarsi su e giù quando eccitato dalla luce. Con questo nuovo metodo, erano anche in grado di vedere i cambiamenti nella densità degli elettroni che avvenivano allo stesso tempo. Le bolle blu rappresentano la diminuzione della densità degli elettroni mentre il rosso mostra l'aumento rispetto alla piridina non eccitata. Credito:Jimmy Yu/Università di Stanford
Una netta separazione
Il team ha scoperto che i segnali di dispersione elastica, prodotto quando gli elettroni diffrangono una molecola di piridina senza assorbire energia, informazioni codificate sul comportamento nucleare delle molecole, mentre i segnali di diffusione anelastica, prodotto quando gli elettroni scambiano energia con la molecola, conteneva informazioni sulle modifiche elettroniche. Gli elettroni da questi due tipi di diffusione sono emersi ad angoli diversi, consentendo ai ricercatori di separare in modo pulito i due segnali e osservare direttamente cosa stavano facendo contemporaneamente gli elettroni e i nuclei della molecola.
"Entrambe queste osservazioni concordano quasi esattamente con una simulazione progettata per tenere conto di tutti i possibili canali di reazione, ", afferma il co-autore Xiaolei Zhu, che era un borsista post-dottorato a Stanford al momento di questo esperimento. "Questo ci fornisce una visione eccezionalmente chiara dell'interazione tra cambiamenti elettronici e nucleari".
Tecniche complementari
Gli scienziati ritengono che questo metodo integrerà la gamma di informazioni strutturali raccolte attraverso la diffrazione dei raggi X e altre tecniche con strumenti come il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, che è in grado di misurare dettagli precisi della dinamica chimica sui tempi più brevi, come riportato di recente per un'altra reazione chimica indotta dalla luce.
"Stiamo vedendo che MeV-UED sta diventando sempre più uno strumento che integra altre tecniche, " afferma il coautore e scienziato dello SLAC Thomas Wolf. "Il fatto che possiamo ottenere strutture elettroniche e nucleari nello stesso set di dati, misurati insieme ma osservati separatamente, fornirà nuove opportunità per combinare ciò che apprendiamo con la conoscenza di altri esperimenti".
'Un nuovo modo di vedere le cose'
Nel futuro, questa tecnica potrebbe consentire agli scienziati di seguire processi fotochimici ultraveloci in cui la tempistica dei cambiamenti elettronici e nucleari è cruciale per l'esito della reazione.
"Questo apre davvero un nuovo modo di vedere le cose con la diffrazione elettronica ultraveloce, ", afferma il coautore Xijie Wang, direttore dello strumento MeV-UED. "Cerchiamo sempre di scoprire come interagiscono effettivamente gli elettroni e i nuclei per rendere questi processi così veloci. Questa tecnica ci consente di distinguere cosa viene prima:il cambiamento negli elettroni o il cambiamento nei nuclei. Una volta ottenuto un quadro completo di come si verificano questi cambiamenti, puoi iniziare a prevedere e controllare le reazioni fotochimiche."
