Ученые запечатлели неуловимую химическую реакцию с помощью улучшенного X

Химические реакции часто включают в себя промежуточные этапы, которые слишком быстры и сложны, чтобы мы могли их увидеть – даже с помощью наших самых передовых научных инструментов. Было показано, что сочетание двух методов рентгеновской спектроскопии меняет ситуацию.

Дэвид Краузе

Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC впервые зафиксировали одно из самых быстрых движений молекулы под названием феррицианид, объединив два метода сверхбыстрой рентгеновской спектроскопии. Они полагают, что их подход может помочь составить карту более сложных химических реакций, таких как транспортировка кислорода в клетках крови или производство водорода с помощью искусственного фотосинтеза.

Исследовательская группа из SLAC, Стэнфорда и других учреждений начала с того, что сейчас является довольно стандартной методикой: они подвергли воздействию смеси феррицианида и воды ультрафиолетовый лазер и яркие рентгеновские лучи, генерируемые рентгеновским источником линейного когерентного света (LCLS). лазер на свободных электронах. Ультрафиолетовый свет переводил молекулу в возбужденное состояние, а рентгеновские лучи исследовали атомы образца, выявляя особенности атомной и электронной структуры и движения феррицианида.

Что изменилось на этот раз, так это то, как исследователи извлекли информацию из рентгеновских данных. Вместо изучения только одной спектроскопической области, известной как главная эмиссионная линия Kβ, команда захватила и проанализировала вторую эмиссионную область, называемую «валентность-ядро», которую было значительно сложнее измерить в сверхбыстрых временных масштабах. Объединение информации из обоих регионов позволило команде получить подробную картину молекулы феррицианида, когда она перешла в ключевое переходное состояние.

Команда показала, что феррицианид переходит в промежуточное возбужденное состояние примерно на 0,3 пикосекунды – или менее чем на триллионную долю секунды – после воздействия УФ-лазера. Измерения отношения валентности к ядру затем показали, что после этого недолговечного периода возбуждения феррицианид теряет одно из своих молекулярных цианидных «плечей», называемое лигандом. Затем феррицианид либо заполняет недостающее соединение тем же углеродным лигандом, либо, что менее вероятно, молекулой воды.

«Этот обмен лигандов является основной химической реакцией, которая, как предполагалось, происходит в феррицианиде, но не было прямых экспериментальных доказательств отдельных этапов этого процесса», — сказал ученый SLAC и первый автор Марко Рейнхард. «Используя только подход анализа основных эмиссионных линий Kβ, мы не сможем увидеть, как выглядит молекула, когда она переходит из одного состояния в другое; мы получим только четкую картину начала процесса. ."

«Вы хотите иметь возможность повторить то, что делает природа для улучшения технологий и расширения наших фундаментальных научных знаний», — сказал старший научный сотрудник SLAC Димосфенис Сокарас. «И чтобы лучше воспроизвести естественные процессы, вы должны знать все шаги, от самых очевидных до тех, которые происходят, так сказать, в темноте».

В будущем исследовательская группа хочет изучить более сложные молекулы, такие как гемопротеины, которые транспортируют и хранят кислород в эритроцитах, но которые может быть сложно изучить, поскольку ученые не понимают всех промежуточных этапов их реакций, сказал Сокарас. .

Исследовательская группа в течение многих лет совершенствовала свою технику рентгеновской спектроскопии в Стэнфордском источнике синхротронного излучения (SSRL) и LCLS SLAC, а затем объединила весь этот опыт в приборе рентгеновской корреляционной спектроскопии (XCS) LCLS, чтобы зафиксировать молекулярные структурные изменения феррицианида. . Команда опубликовала свои результаты сегодня в журнале Nature Communications.

«Для завершения эксперимента мы использовали как SSRL, так и LCLS. Мы не смогли бы завершить разработку нашего метода без доступа к обоим объектам и нашего многолетнего сотрудничества», — сказал Роберто Алонсо-Мори, ведущий научный сотрудник SLAC. «В течение многих лет мы разрабатывали эти методы на этих двух источниках рентгеновского излучения, а теперь планируем использовать их для раскрытия ранее недоступных тайн химических реакций».

Этот проект был частично поддержан Управлением науки по фундаментальным энергетическим наукам Министерства энергетики. LCLS и SSRL являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США. Поддержка также была оказана Программой структурной молекулярной биологии SSRL при поддержке Управления биологических и экологических исследований Министерства энергетики США, а также Национальных институтов здравоохранения и Национального института общих медицинских наук.