Ultrarychlé rentgenové záření zachycuje chemii rozvíjející se atom po atomu

Foto: European XFEL/Enrique Sahagun

Úvod do ultrarychlého rentgenového záření

Autor původního článku: redakce

Vědci z Evropského XFEL odhalili, jak molekula přeměňuje absorbované světlo na pohyb během pouhých biliontin sekundy. Jednotlivé atomy zaznamenaly různé fáze procesu, což otevřelo nový silný pohled na chemii poháněnou světlem.

Experiment s 3-fluoropyridinem

Experiment na 3-fluoropyridinu: UV pulz (fialový paprsek zleva) vzrušuje molekulu a zpožděný rentgenový pulz (bílý paprsek z dolního pravého rohu) zkoumá atom dusíku (fialová koule). Měření odhaluje přerozdělení náboje indukované světlem (fialový oblak) z pohledu jádrového fotoelektronu z místa dusíku (soustředné kruhy). Atom fluoru (zelená koule) může být také zkoumán a slouží hlavně jako značka vibrační dynamiky.

Vědci pozorovali, jak se energie pohybuje molekulou bezprostředně po absorpci světla, což odhalilo, že jednotlivé atomy mohou zaznamenat velmi odlišné části transformace. Pomocí rychlých rentgenových záblesků produkovaných v Evropském XFEL sledovali výzkumníci změny na specifických atomech, jak molekula uvolňovala a přerozdělovala absorbovanou energii.

Pohyb energie molekulou

Výsledky ukazují, že vystavení světlu může učinit atom citlivějším na pohyb sousedních atomů. Tato technika dává vědcům možnost zkoumat extrémně rychlé chemické reakce na atomové úrovni a v reálném čase. Mohla by nakonec zlepšit pochopení toho, jak DNA odolává vystavení světlu, jak energie cestuje materiály navrženými k zachycení světla a jak probíhají další základní procesy poháněné světlem.

Různé atomy, různé změny

Vědci studovali 3-fluoropyridin, malou kruhovou molekulu obsahující jak atomy dusíku, tak fluoru. Když molekula absorbuje energii z krátkého ultrafialového laserového pulzu, její elektrony vstupují do vyššího energetického stavu. Molekula se pak rychle ohýbá ze své normálně ploché struktury. Jak mění tvar, prochází tím, co vědci nazývají konickým průsečíkem: krátkodobým, ale klíčovým průsečíkem, kde se pohyby elektronů a jádra atomů silně propojují.

Tyto průsečíky hrají důležitou roli v mnoha reakcích vyvolaných světlem, protože umožňují energii rychle se pohybovat mezi elektronickým a strukturálním pohybem. Po překročení této oblasti se molekula vrací do svého základního stavu. Přebytečná elektronická energie je pak přeměněna na vibrace, které cestují molekulární strukturou.

Rekonstrukce pikosekundové transformace

Přeměna energie produkovala různé signály na různých místech v molekule. Atom fluoru sloužil jako relativně jasný indikátor toho, jak se vibrace molekuly uvolňovaly v průběhu času. Atom dusíku vyprávěl složitější příběh. Protože hrál přímější roli v původním elektronickém vzrušení, jeho signál odrážel jak přerozdělení elektronů, tak měnící se strukturu molekuly.

„Nyní můžeme vidět, že ne každé atomové místo vypráví stejný příběh v signálech, které zachycujeme z našich rentgenových pulzů,“ říká Antonio Picón z Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ICMM-CSIC), spoluautor studie. „Některé atomy hlásí, kam náboj směřuje, zatímco jiné odhalují, jak celá molekula vibruje.“

Nový pohled na ultrarychlou fotochemii

K zachycení procesu tým použil časově rozlišenou rentgenovou fotoelektronovou spektroskopii (tr-XPS) na přístroji Small Quantum Systems (SQS) Evropského XFEL. Nejprve ultrafialový laserový pulz dodal energii molekulám. Pečlivě načasovaný měkký rentgenový pulz je pak ionizoval odstraněním hluboce vázaných elektronů z atomů dusíku nebo fluoru.

Výzkumníci opakovali měření s rentgenovým pulzem přicházejícím v mnoha různých zpožděních po počátečním laserovém pulzu. Zaznamenáním energií uvolněných elektronů rekonstruovali, jak se chemické prostředí kolem každého atomu změnilo během pouhých několika pikosekund (biliontin sekundy). Pokročilé počítačové simulace a teoretické modely byly poté použity k interpretaci experimentálních signálů a jejich propojení se základními elektronickými a strukturálními změnami.

Zjištění demonstrují, jak ultrakrátké, vysoce jasné rentgenové pulzy dostupné v Evropském XFEL mohou oddělit některé z nejrychlejších propojených pohybů v hmotě. Ačkoli se experiment zaměřil na jednu relativně jednoduchou molekulu, stejný přístup by mohl být aplikován na stále složitější systémy. Možné cíle zahrnují funkční organické molekuly, biomolekulární stavební bloky a materiály navržené k zachycení nebo přenosu energie ze světla.

„To je to, k čemu byl Evropský XFEL postaven: sledování chemické změny tam, kde začíná, na specifických atomových místech a v jejím přirozeném časovém měřítku,“ říká Daniel Rivas, bývalý vědecký pracovník přístroje, nyní hostující vědec v SQS a spoluautor studie. „Kombinací citlivosti na více místech s femtosekundovým rozlišením otevíráme nové okno na mikroskopické mechanismy, které řídí fotochemii.“

Mohlo by vás zajímat

Původní článek: Ultrafast X-rays capture chemistry unfolding atom by atom

Nejčastější dotazy

Co je ultrarychlé rentgenové záření?

Ultrarychlé rentgenové záření je technologie, která umožňuje sledovat chemické procesy v reálném čase na atomové úrovni. Pomocí této metody mohou vědci zachytit změny v molekulách během extrémně krátkých časových intervalů, což poskytuje nové poznatky o chemických reakcích.

Jak vědci používají ultrarychlé rentgenové záření k výzkumu chemie?

Vědci využívají ultrarychlé rentgenové záření k pozorování, jak molekuly reagují na absorbované světlo a jak se energie pohybuje atomy. Tímto způsobem mohou detailně sledovat jednotlivé fáze chemických procesů a získat tak cenné informace o dynamice molekul.

Jaké aplikace má výzkum ultrarychlého rentgenového záření?

Výzkum ultrarychlého rentgenového záření má široké aplikace, včetně zlepšení porozumění chemickým reakcím, vývoje nových materiálů a léčiv. Tato technologie může také přispět k pokroku v oblasti fotoniky a nanotechnologií.