Negli esperimenti con il laser a elettroni liberi a raggi X di SLAC, gli scienziati hanno eliminato gli elettroni da una molecola nota come DMP per fare le prime osservazioni dettagliate su come un processo chiamato trasferimento di carica influenzi la sua struttura molecolare. Sinistra:DMP è normalmente simmetrico. Centro:quando un impulso di luce fa uscire un elettrone da uno dei suoi atomi di azoto (sfere blu), lascia uno ione caricato positivamente noto come centro di carica, mostrato in rosa. Questo crea uno squilibrio di carica che sposta le posizioni degli atomi. A destra:ma entro tre trilionesimi di secondo, la carica si ridistribuisce tra i due atomi di azoto fino a uniformarsi e la molecola ridiventa simmetrica. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Quando la luce colpisce determinate molecole, sposta gli elettroni che poi si spostano da una posizione all'altra, creando aree di carica positiva e negativa. Questo "trasferimento di carica" è molto importante in molte aree della chimica, in processi biologici come la fotosintesi e in tecnologie come dispositivi a semiconduttore e celle solari.
Anche se sono state sviluppate teorie per spiegare e prevedere come funziona il trasferimento di carica, sono stati validati solo indirettamente a causa della difficoltà di osservare come la struttura di una molecola risponde ai movimenti di carica con la risoluzione atomica richiesta e sulle scale temporali ultraveloci richieste.
In un nuovo studio, un gruppo di ricerca guidato da scienziati della Brown University, lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e l'Università di Edimburgo hanno utilizzato il laser a elettroni liberi a raggi X di SLAC per effettuare le prime osservazioni dirette delle strutture molecolari associate al trasferimento di carica nelle molecole di gas colpite dalla luce.
Molecole di questo gas, chiamato N, N-dimetilpiperazina o DMP, sono normalmente simmetrici, con un atomo di azoto a ciascuna estremità. La luce può far uscire un elettrone da un atomo di azoto, lasciando uno ione caricato positivamente noto come "centro di carica".
intrigante, questo processo non è uniforme; l'assorbimento della luce crea un centro di carica in uno solo dei due atomi di azoto, e questo squilibrio di carica deforma l'impalcatura atomica della molecola, così gli atomi compensano spostandosi di posizione l'uno rispetto all'altro. Ma entro tre trilionesimi di secondo, la carica si ridistribuisce tra i due atomi di azoto fino a quando non si uniforma e le molecole diventano di nuovo simmetriche, i ricercatori riferiscono in un articolo pubblicato nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze oggi.
Il loro studio è il primo ad osservare direttamente come la struttura di una molecola cambia quando la carica viene ridistribuita, con alcuni legami chimici che si allungano e altri più corti, prima di tornare finalmente al suo stato originale.
"Vediamo le molecole rompere la simmetria e riformare la simmetria, " ha detto Peter Weber, un professore di chimica alla Brown University il cui gruppo di ricerca ha iniziato a studiare DMP quasi un decennio fa. Ha guidato lo studio con Adam Kirrander dell'Università di Edimburgo e lo scienziato senior dello SLAC Michael Minitti.
Gli esperimenti con laser a elettroni liberi a raggi X presso lo SLAC National Accelerator Laboratory hanno fornito agli scienziati il primo sguardo dettagliato su come il trasferimento di carica - un processo molto importante in tutta la chimica - funzioni in molecole chiamate DMP, centro. Le molecole sono state colpite con un impulso luminoso per dare il via al processo, seguito da un impulso laser a raggi X per osservare i cambiamenti risultanti nella loro struttura oltre 3 trilionesimi di secondo. I raggi X si disperdono su singole molecole e in un rivelatore, creando modelli che mostrano movimenti ultraveloci degli atomi con risoluzione atomica. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Una risposta sbilenca
Scienziati del gruppo di Weber, incluso Xinxin Cheng, un dottorato di ricerca. studente che ora è uno scienziato associato dello SLAC, ha scoperto la risposta sbilenca della molecola alla luce otto anni fa. Si è scoperto che gli atomi di azoto della molecola sono alla giusta distanza l'uno dall'altro per renderlo un modello ideale per studiare il trasferimento di carica, una scoperta che ha suscitato molte discussioni tra i teorici che lavorano per comprendere questi processi e sforzi per osservarli in modo più dettagliato.
In questo ultimo studio, Haiwang Yong, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Weber, ha lavorato con gli scienziati SLAC per fornire un'osservazione molto più diretta della risposta del DMP alla luce. Colpiscono il gas DMP con impulsi di luce seguiti da brevissimi, impulsi laser a raggi X ultraluminosi dalla sorgente di luce coerente Linac (LCLS) del laboratorio. I raggi X LCLS si sono dispersi dalle molecole in un modo che ha rivelato le posizioni dei singoli atomi, la durata dei legami tra loro e come sono cambiati in pochi trilionesimi di secondo.
"È affascinante vedere come i raggi X possono risolvere i cambiamenti nella struttura molecolare che derivano dal trasferimento di carica, " disse Kirander.
Weber ha affermato che i risultati dimostrano il valore della tecnica per estrarre informazioni più dettagliate rispetto agli esperimenti precedenti. Il team di ricerca ha utilizzato tali informazioni per testare modelli teorici di come le molecole rispondono, rivelando difetti nell'approccio convenzionale noto come teoria del funzionale della densità. Weber ha osservato che i dati sembrano supportare calcoli teorici dettagliati su come avvengono questi trasferimenti di carica da parte di Hannes Jonsson dell'Università dell'Islanda, che non è stato coinvolto in questo studio.
Minitti, che ha lavorato su DMP con il laboratorio Brown fin dall'inizio e ha partecipato a questo studio, ha detto che è stato difficile ottenere una comprensione teorica di come funzionano questi sistemi asimmetrici perché i dati sperimentali su di essi sono stati così scarsi e indiretti.
"Questo lavoro è un significativo passo avanti, " Egli ha detto, "dandoci informazioni critiche su come la molecola risponde durante il processo di trasferimento di carica. Ricerche come questa richiedono un villaggio:abbiamo bisogno di esperimenti per informare la teoria, e viceversa, per aiutarci a visualizzare questa cosa."
Andando avanti, è in corso un forte aumento della frequenza di ripetizione degli impulsi della sorgente di raggi X LCLS, con un salto da 120 impulsi al secondo a 1 milione di impulsi al secondo. Ciò consentirà ai ricercatori di studiare sistemi molto più complessi, informare lo sviluppo di nuovi approcci alla generazione di energia solare e alle tecnologie di stoccaggio dell'energia, tra molte altre applicazioni.
