Auf frischer Tat ertappt: Bilder erfassen molekulare Bewegungen in Echtzeit

15.07.2019 - USA

Forscher haben mit Hilfe von ultrahohen Röntgenpulsen einen hochauflösenden "Film" über ein Molekül gemacht, das strukturelle Bewegungen durchläuft. Die in Nature Chemistry veröffentlichte Forschung zeigt die Dynamik der Prozesse in noch nie dagewesenen Details - die Anregung eines einzelnen Elektrons im Molekül.

Die Fähigkeit, molekulare Bewegungen in Echtzeit zu sehen, bietet Einblicke in chemische Dynamikprozesse, die noch vor wenigen Jahrzehnten undenkbar waren, sagen die Forscher und können letztlich dazu beitragen, Reaktionen zu optimieren und neue Arten der Chemie zu entwickeln.

"Seit vielen Jahren haben Chemiker von chemischen Reaktionen gelernt, indem sie im Wesentlichen die Moleküle studiert haben, die vor und nach einer Reaktion vorhanden sind", sagte Brian Stankus, ein kürzlich promovierter Doktorand der Brown University und Co-Lead-Autor des Papiers. "Es war unmöglich, die Chemie tatsächlich zu beobachten, wie sie abläuft, weil die meisten molekularen Transformationen sehr schnell ablaufen. Aber ultraschnellen Lichtquellen wie die, die wir in diesem Experiment verwendet haben, haben es uns ermöglicht, molekulare Bewegungen in Echtzeit zu messen, und dies ist das erste Mal, dass diese Art von subtilen Effekten in einem organischen Molekül dieser Größe mit solcher Klarheit gesehen wurden."

Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

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Die Arbeit ist eine Zusammenarbeit zwischen Chemikern von Brown, Wissenschaftlern des SLAC National Accelerator Laboratory und theoretischen Chemikern der University of Edinburgh in Großbritannien. Das Team wurde von Peter Weber, Professor für Chemie bei Brown, geleitet.

Für die Studie untersuchten die Forscher die molekularen Bewegungen, die auftreten, wenn das organische Molekül N-Methylmorpholin durch Impulse von ultraviolettem Licht angeregt wird. Röntgenimpulse von SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) wurden verwendet, um Schnappschüsse in verschiedenen Phasen der dynamischen Reaktion des Moleküls zu machen.

"Wir treffen die Moleküle im Grunde genommen mit UV-Licht, das die Reaktion auslöst, und dann machen wir in Bruchteilen einer Sekunde später ein "Bild" - eigentlich erfassen wir ein Streumuster - mit einem Röntgenimpuls", sagte Stankus. "Wir wiederholen das immer wieder, mit unterschiedlichen Intervallen zwischen UV- und Röntgenimpuls, um eine Zeitreihe zu erstellen."

Die Röntgenstrahlen streuen in Abhängigkeit von der Struktur der Moleküle in bestimmten Mustern. Diese Muster werden analysiert und verwendet, um eine Form des Moleküls zu rekonstruieren, während sich die Molekularbewegungen entfalten. Diese Musteranalyse wurde von Haiwang Yong geleitet, einem Doktoranden von Brown und Co-Leiter der Studie.

Das Experiment zeigte eine extrem subtile Reaktion, bei der nur ein einzelnes Elektron angeregt wird, was zu einem ausgeprägten Muster von Molekularschwingungen führt. Die Forscher konnten sowohl die Elektronenanregung als auch die atomare Schwingung detailliert abbilden.

"Dieses Papier ist ein echter Meilenstein, denn zum ersten Mal konnten wir die Struktur eines Moleküls in einem angeregten Zustand und mit zeitlicher Auflösung sehr deutlich messen", sagt Weber, der entsprechende Autor der Studie.

"Diese Art von nahezu rauschfreien Messungen in Energie und Zeit durchzuführen, ist keine leichte Aufgabe", sagte Mike Minitti, Senior Staff Scientist bei SLAC und Studienko-Autor. "In den letzten sieben Jahren hat unsere Zusammenarbeit viel darüber gelernt, wie man mit den verschiedenen LCLS-Diagnosen die kleinen Schwankungen der Röntgenintensitäten präzise messen und noch besser die Veränderungen der Femtosekundenzeitskala verfolgen kann, aus denen sich die Moleküle entwickeln. All dies hat die Entwicklung von benutzerdefinierten Datenanalyseroutinen beeinflusst, die lästige, unerwünschte Signale an unsere Daten praktisch eliminieren. Diese Ergebnisse zeigen die Treue, die wir erreichen können."

Ein besonders interessanter Aspekt der Reaktion ist, dass sie kohärent ist - das heißt, wenn Gruppen dieser Moleküle mit Licht interagieren, vibrieren ihre Atome miteinander.

"Wenn wir mit Experimenten wie diesem untersuchen können, wie genau Licht verwendet werden kann, um die kollektive Bewegung von Milliarden von Molekülen zu steuern, können wir Systeme entwerfen, die sich kohärent steuern lassen", sagte Stankus. "Einfach ausgedrückt: Wenn wir genau verstehen, wie Licht molekulare Bewegungen leitet, können wir neue Systeme entwerfen und steuern, um nützliche Chemie zu betreiben."

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