_ Spectroscopia la nivel de nucleu attosecond dezvăluie dinamica moleculară în timp real

Reacțiile chimice sunt mecanisme complexe. Sunt implicate multe procese dinamice diferite, care afectează atât electronii, cât și nucleul atomilor prezenți. Foarte des, dinamica electronilor și nucleare puternic cuplate induce procese de relaxare fără radiații cunoscute sub numele de intersecții conice. O astfel de dinamică, care se află la baza multor funcții biologice și chimice relevante, este extrem de dificil de detectat experimental.

Problema apare atunci când se încearcă urmărirea simultană a mișcării nucleare și electronice, deoarece dinamica lor este grea. pentru a dezlega și apar la intervale de timp ultrarapide comparabile. De aceea, în ultimii câțiva ani, surprinderea în timp real a evoluției dinamice moleculare s-a transformat într-una dintre cele mai arzătoare provocări împărtășite de fizicieni și chimiști.

Cu toate acestea, într-o publicație recentă Nature Photonics, Cercetătorii ICFO Dr. Stefano Severino, Dr. Maurizio Reduzzi, Dr. Adam Summers, Hung-Wei Sun, Ying-Hao Chien conduși de ICREA Prof. la ICFO Jens Biegert, împreună cu sprijinul teoriei de către Dr. Karl Michael Ziems și Prof. Stefanie Gräfe de la Friedrich-Schiller-Universität Jena, au prezentat un instrument puternic bazat pe spectroscopie la nivel de miez de attosecundă pentru a investiga dinamica moleculară în timp real, care este capabil să depășească provocările menționate mai sus.

Ei au și-au evaluat metoda urmărind evoluția furanului în fază gazoasă, o moleculă organică formată din carbon, hidrogen și un oxigen dispus într-o geometrie pentagonală. Structura sa ciclică dă acestui tip de specie denumirea de „inel” chimic.

Alegerea nu a fost arbitrară, deoarece furanul este sistemul prototip pentru studiul inelelor organice heterociclice, constituenții esențiali ai multor zile diferite. -produse de zi cu zi precum combustibili, produse farmaceutice sau agrochimice. Cunoașterea dinamicii lor și a proceselor de relaxare este, prin urmare, de o importanță enormă.

Echipa a reușit să rezolve în timp detaliile întregii dinamici de deschidere a inelului a furanului, adică fisiunea legăturii dintre un carbon și oxigenul, care își rupe structura ciclică. Pentru a face acest lucru, au trebuit să urmărească așa-numitele intersecții conice (CI), porți ultrarapide între diferitele stări de energie pe care furanul le întreprinde în evoluția sa spre deschiderea inelului.

În experimentul lor, un fascicul de lumină ( pulsul pompei) a excitat mai întâi molecula de furan. Apoi, o attosecundă și un puls mult mai slab (sonda) au fost folosite pentru a monitoriza modificările induse de pompă în probă.

După fotoexcitarea inițială, cele trei intersecții conice așteptate au fost localizate în timp prin analizarea modificări ale spectrului de absorbție în funcție de întârzierea dintre pompă și sondă. Apariția și dispariția caracteristicilor de absorbție, precum și comportamentul lor oscilator, oferă semnături ale schimbărilor în starea electronică a furanului.

Pe lângă asta, au putut vedea că trecerea prin prima tranziție CI generează o suprapunere cuantică între stările electronice inițiale și finale, care s-au manifestat sub formă de bătăi cuantice. Acest fenomen ultrarapid, care poate fi explicat doar folosind teoria cuantică, a fost extrem de greu de identificat în experimentele anterioare.

Al doilea CI a fost, în principiu, și mai dificil de captat, deoarece starea electronică finală nu emit și nici absorb fotoni (este o stare optic întunecată) și astfel, detectarea acestuia prin metode convenționale este extrem de solicitantă. Cu toate acestea, în acest caz, platforma lor a îndeplinit sarcina la fel de bine ca înainte.

După aceea, ar fi trebuit să aibă loc deschiderea inelului, iar echipamentul echipei a fost din nou victorios în detectarea sa. Trecerea moleculei de la o geometrie inelă închisă la una deschisă implică o ruptură de simetrie care este imprimată în spectrul de absorbție. Instrumentul spectroscopic folosit de cercetători s-a dovedit a fi extrem de sensibil la structura nucleară, iar deschiderea inelului s-a manifestat ca apariția unor noi vârfuri de absorbție.

În cele din urmă, molecula sa relaxat în starea fundamentală (cel cel mai mic orbital molecular disponibil) prin a treia intersecție conică, a cărei tranziție a fost din nou rezolvată cu precizie în timp.

Per total, Biegert și grupul său au propus și au raportat cu succes o nouă metodologie analitică pentru a dezvălui complexul și proces complex care este deschiderea inelului molecular pe scara sa de timp ultrarapidă nativă.

Rezoluția temporală ridicată și spectrul energetic coerent combinat al tehnicii lor de ultimă oră le-a permis nu numai să urmărească tranzițiile furanului prin intersecțiile conice, ci și pentru a identifica coerențe electronice și nucleare, bătăi cuantice, stări întunecate optic și modificări de simetrie, oferind o imagine extrem de detaliată a întregului proces de relaxare.

Este important de subliniat faptul că puterea spectroscopiei la nivel de nucleu attosecunde. nu se limitează la această moleculă particulară, ci constă într-un instrument general conceput pentru a fi folosit și cu alte specii.

Prin urmare, acest nou mecanism poate scoate la lumină dinamica complexă a funcțiilor relevante, cum ar fi fotoprotecția mecanismul bazei ADN-ului. În plus, cercetătorii identifică manipularea reacțiilor moleculare eficiente și a dinamicii relaxării energiei drept unele dintre cele mai promițătoare aplicații pentru munca lor.

(Fluierul)