دانشمندان شاهد آشکار شدن اتم به اتم شیمی هستند

این مطالعه روش جدیدی را برای ردیابی دینامیک الکترونیکی و ارتعاشی در زمان واقعی ارائه می دهد.

در عرض چند تریلیونم ثانیه پس از جذب نور، یک مولکول از شکل خارج می شود، الکترون های خود را جابجا می کند و انرژی الکترونیکی را به ارتعاش تبدیل می کند. این تغییرات خیلی سریع اتفاق می‌افتد که توسط سازهای معمولی دنبال نمی‌شود، اما فلاش‌های XFEL اروپا به محققان این امکان را داد که توالی را بازسازی کنند. اتم توسط اتم

اندازه‌گیری‌ها نشان داد که اتم‌های یک مولکول می‌توانند بخش‌های مختلف یک واکنش نور محور را ثبت کنند. یکی می تواند دید واضح تری از بار الکتریکی متحرک ارائه دهد، در حالی که دیگری نحوه ارتعاش ساختار مولکولی را منعکس می کند. نتایج همچنین نشان می‌دهد که تحریک نوری می‌تواند یک اتم را نسبت به حرکت همسایه‌هایش واکنش‌پذیرتر کند.

این توانایی برای تمایز بین تغییرات الکترونیکی و ساختاری در زمان واقعی می‌تواند مطالعات فرآیندهای اساسی نور محور را بهبود بخشد. زمینه های احتمالی تحقیق شامل مکانیسم هایی است که محافظت می کند DNA از آسیب به نور و حرکت انرژی از طریق مواد برداشت کننده نور.

اتم های مختلف تغییرات متفاوتی را نشان می دهند

محققان 3-فلوروپیریدین، یک مولکول کوچک ساخته شده در اطراف حلقه ای از اتم ها را مورد مطالعه قرار دادند. آنها آن را انتخاب کردند زیرا اتم های نیتروژن و فلوئور آن می توانند به عنوان نقاط مشاهده جداگانه در طول یک واکنش عمل کنند.

یک پالس لیزر فرابنفش کوتاه انرژی اولیه را تحویل داد. پس از جذب نور، مولکول وارد یک حالت برانگیخته الکترونیکی شد، به این معنی که الکترون های آن به طور موقت آرایش انرژی بالاتری را اشغال می کنند. سپس ساختار معمولی مسطح او شروع به اعوجاج کرد.

مولکول به زودی به یک تقاطع مخروطی رسید، یک اتصال زودگذر که در آن دو حالت انرژی الکترونیکی به هم می رسند. در این مرحله، حرکات الکترون‌ها و هسته‌های اتم به طور محکم جفت می‌شوند و به مولکول اجازه می‌دهند به سرعت بین حالت‌های انرژی جابجا شوند.

پس از عبور از این پیوند، 3-فلوروپیریدین به حالت پایه خود یعنی پایین ترین حالت انرژی الکترونیکی خود باز می گردد. انرژی که به صورت الکترونیکی ذخیره شده بود از بین نرفت. در عوض، به یک ارتعاش مولکولی تبدیل شد و باعث شد اتم ها نسبت به یکدیگر حرکت کنند.

سیگنال های نیتروژن و فلوئور بخش های مختلف این انتقال را نشان می دهند. فلوئور به عنوان یک شاخص نسبتا واضح آرامش ارتعاشی عمل می کند، فرآیندی که در آن انرژی اضافی از طریق حرکت مولکولی توزیع می شود. نیتروژن که مستقیماً در تحریک اولیه دخالت دارد، مخلوط پیچیده تری از تغییر توزیع الکترون و حرکت ساختاری را ثبت می کند.

آنتونیو پیکن از مؤسسه تحقیقاتی مادرید (ICMM-CSIC)، یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: «اکنون می‌توانیم ببینیم که هر سایت اتمی در سیگنال‌هایی که از پالس‌های اشعه ایکس دریافت می‌کنیم، داستان یکسانی را بیان نمی‌کند. برخی از اتم‌ها در جایی که بار می‌رود ارتباط برقرار می‌کنند، در حالی که برخی دیگر نحوه ارتعاش کل مولکول را نشان می‌دهند.

اشعه ایکس یک انتقال زودگذر را بازسازی می کند

برای ردیابی این تغییرات، محققان از طیف‌سنجی فوتوالکترونی اشعه ایکس (tr-XPS) در ابزار سیستم‌های کوانتومی کوچک (SQS) در XFEL اروپا استفاده کردند. این روش با حذف الکترون‌های محکم از اتم‌های انتخاب‌شده و اندازه‌گیری انرژی این الکترون‌ها کار می‌کند. تغییرات در این انرژی نشان می دهد که چگونه محیط شیمیایی محلی هر اتم تکامل می یابد.

ابتدا یک پالس فرابنفش مولکول ها را برانگیخت. یک پالس نرم اشعه ایکس پس از یک تاخیر به دقت کنترل شده رسید و الکترون های عمیقاً متصل را از نیتروژن یا فلوئور حذف کرد. تکرار اندازه‌گیری با تأخیرهای زیاد، مجموعه‌ای از عکس‌های فوری تنها چند پیکوثانیه (تریلیونم ثانیه) را در بر می‌گیرد.

سپس محققان این اندازه‌گیری‌ها را با شبیه‌سازی‌ها و مدل‌های پیشرفته ترکیب کردند. این مرحله برای ارتباط دادن انرژی‌های متغیر الکترون به تغییرات مولکولی مسئول آن‌ها ضروری بود و به محققان این امکان را می‌داد تا چگونگی تکامل بار و حرکت اتمی را در طول زمان بازسازی کنند.

جزئیات اتمی مطالعات فتوشیمیایی را گسترش می دهد

نتایج نشان می‌دهد که چگونه پالس‌های کوتاه و شدید پرتو ایکس XFEL اروپایی می‌توانند تغییرات الکترونیکی را از حرکت ساختاری جدا کنند، حتی زمانی که هر دو تقریباً به طور همزمان ایجاد می‌شوند. اندازه‌گیری‌ها همچنین نشان می‌دهند که چرا بررسی چندین مکان اتمی می‌تواند گزارش کامل‌تری نسبت به مشاهده یک مولکول از یک مکان ارائه دهد.

این رویکرد به 3-فلوروپیریدین محدود نمی شود. می توان از آن برای تجزیه و تحلیل تغییرات ساختاری ناشی از نور در سیستم های پیچیده تر، از مولکول های آلی کاربردی گرفته تا بلوک های ساختمانی بیومولکولی و مواد پر انرژی استفاده کرد.

دانیل ریواس، دانشمند اسبق ابزار، که اکنون دانشمند مدعو در SQS و یکی از نویسندگان این مطالعه است، می‌گوید: «این همان چیزی است که XFEL اروپایی برای آن طراحی شده است: مشاهده تغییرات شیمیایی از جایی که شروع می‌شود، در مکان‌های اتمی خاص و در مقیاس زمانی طبیعی». با ترکیب حساسیت چند سایت با وضوح فمتوثانیه، پنجره جدیدی را به مکانیسم های میکروسکوپی که فتوشیمی را هدایت می کنند، باز می کنیم.

مرجع: “حساسیت تغییر شیمیایی ناشی از عکس به ارتعاشات محلی” توسط آنا مارتینز گوتیرز، الیور الکساندر، پابلو استیوس آلونسو، لورنزو پائولونی، تری مولینز، آندره الحداد، توماس ام. باومن، ربکا بال، کریستوف بوستدت، آلبرتو فاستدت، سایمون دی ژلونی، آلبرتو دمولد ژلونی، سایمون دی گلونی ایاس اسماعیل، بیورن لاوتنشلاگر، توماسو مازا، دوشایه مونشیرام، سولن اوبرلی، داوی پنگ، رالف پوتنر، سویتوزار سرکز، مارک سیمون، فلوریان ترینتر، سرگئی یوسنکو، مایکل میر، جاناتان پی. و آنتونیو پیکن، 10 ژوئیه 2026، مجله انجمن شیمی آمریکا.
DOI: 10.1021/jacs.6c06538

هرگز پیشرفتی را از دست ندهید: به خبرنامه SciTechDaily بپیوندید.
ما را در Google و Google News دنبال کنید.