Utilizando una "cámara de electrones" de alta velocidad en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, los científicos capturaron simultáneamente los movimientos de electrones y núcleos en una molécula después de que se excitó con la luz. Esta es la primera vez que se hace estocon difracción de electrones ultrarrápida, que dispersa un potente haz de electrones de los materiales para captar pequeños movimientos moleculares.
"En esta investigación, mostramos que con la difracción de electrones ultrarrápida, es posible seguir los cambios electrónicos y nucleares mientras se desenredan naturalmente los dos componentes", dice Todd Martínez, profesor de química de Stanford e investigador del Instituto Stanford PULSE involucrado en el experimento ".Esta es la primera vez que hemos podido ver directamente las posiciones detalladas de los átomos y la información electrónica al mismo tiempo ".
La técnica podría permitir a los investigadores obtener una imagen más precisa de cómo se comportan las moléculas al medir los aspectos de los comportamientos electrónicos que están en el corazón de las simulaciones de química cuántica, proporcionando una nueva base para futuros métodos teóricos y computacionales. El equipo publicó sus hallazgos hoyen ciencia .
Esqueletos y pegamento
En investigaciones anteriores, el instrumento SLAC para la difracción de electrones ultrarrápida, MeV-UED, permitió a los investigadores crear "películas" de moléculas de alta definición en una encrucijada y cambios estructurales que ocurren cuando las moléculas en forma de anillo se abren en respuesta a la luz.hasta ahora, el instrumento no era sensible a los cambios electrónicos en las moléculas.
"En el pasado, pudimos rastrear los movimientos atómicos mientras ocurrían", dice el autor principal Jie Yang, científico de la Dirección del Acelerador de SLAC y el Instituto Stanford PULSE. "Pero si miras más de cerca, verás quelos núcleos y los electrones que forman los átomos también tienen papeles específicos que desempeñar. Los núcleos forman el esqueleto de la molécula, mientras que los electrones son el pegamento que mantiene unido el esqueleto ".
congelación de movimientos ultrarrápidos
En estos experimentos, un equipo dirigido por investigadores de SLAC y la Universidad de Stanford estaba estudiando la piridina, que pertenece a una clase de moléculas en forma de anillo que son fundamentales para los procesos impulsados por la luz, como el daño y la reparación del ADN inducida por los rayos UV, la fotosíntesis yconversión de energía solar. Debido a que las moléculas absorben la luz casi instantáneamente, estas reacciones son extremadamente rápidas y difíciles de estudiar. Las cámaras de ultra alta velocidad como MeV-UED pueden "congelar" los movimientos que ocurren dentro de femtosegundos, o millonésimas de billonésima de segundo, paraPermitir a los investigadores seguir los cambios a medida que ocurren.
Primero, los investigadores destellaron con luz láser en un gas de moléculas de piridina. Luego, bombardearon las moléculas excitadas con un pulso corto de electrones de alta energía, generando instantáneas de sus electrones y núcleos atómicos que se reorganizan rápidamente y se pueden unir en unpelícula de stop-motion de los cambios estructurales inducidos por la luz en la muestra.
Una separación limpia
El equipo descubrió que las señales de dispersión elásticas, producidas cuando los electrones difractan de una molécula de piridina sin absorber energía, codificaron información sobre el comportamiento nuclear de las moléculas, mientras que las señales de dispersión inelásticas, producidas cuando los electrones intercambian energía con la molécula, contenían información sobre electrónicaLos electrones de estos dos tipos de dispersión surgieron en diferentes ángulos, lo que permitió a los investigadores separar limpiamente las dos señales y observar directamente lo que los electrones y los núcleos de la molécula estaban haciendo al mismo tiempo.
"Ambas observaciones coinciden casi con precisión con una simulación diseñada para tener en cuenta todos los canales de reacción posibles", dice el coautor Xiaolei Zhu, quien era becario postdoctoral en Stanford en el momento de este experimento ". Esto proporcionacon una visión excepcionalmente clara de la interacción entre los cambios electrónicos y nucleares "
Técnicas complementarias
Los científicos creen que este método complementará el rango de información estructural recopilada a través de la difracción de rayos X y otras técnicas en instrumentos como el láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac LCLS de SLAC, que puede medir detalles precisos de la sustancia químicadinámica en las escalas de tiempo más cortas, como se informó recientemente para otra reacción química inducida por la luz.
"Estamos viendo que MeV-UED se está convirtiendo cada vez más en una herramienta que complementa otras técnicas", dice el coautor y científico del SLAC Thomas Wolf. "El hecho de que podamos obtener estructuras electrónicas y nucleares en los mismos datosconjunto, medido en conjunto pero observado por separado, proporcionará nuevas oportunidades para combinar lo que aprendemos con el conocimiento de otros experimentos ".
'Una nueva forma de ver las cosas'
En el futuro, esta técnica podría permitir a los científicos seguir procesos fotoquímicos ultrarrápidos donde el momento de los cambios electrónicos y nucleares es crucial para el resultado de la reacción.
"Esto realmente abre una nueva forma de ver las cosas con difracción de electrones ultrarrápida", dice la coautora Xijie Wang, directora del instrumento MeV-UED. "Siempre estamos tratando de descubrir cómo funcionan los electrones y los núcleosen realidad interactúan para hacer que estos procesos sean tan rápidos. Esta técnica nos permite distinguir cuál es primero: el cambio en los electrones o el cambio en los núcleos. Una vez que obtenga una imagen completa de cómo se desarrollan estos cambios, puede comenzar a predeciry controlar las reacciones fotoquímicas "
MeV-UED es un instrumento de LCLS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE. El equipo de investigación también incluyó científicos de la Universidad de Nebraska-Lincoln, la Universidad Stony Brook en Nueva York y la Universidad de Potsdam en Alemania. Este trabajo fueapoyado por la Oficina de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Original escrito por Ali Sundermier. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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