Ультрашвидка електронна візуалізація вперше виявила ядерні рухи в молекулах вуглеводнів, спричинені світлом. Взаємодія молекул вуглеводнів зі світлом може впливати на утворення азотистої кислоти в атмосфері – сполуки, яка відіграє важливу роль у забрудненні повітря. У цьому дослідженні вчені вивчили, як передача протона сприяє цим світлоіндукованим молекулярним процесам.
Спостереження ультрашвидкої передачі протонів
Внутрішньомолекулярна передача протона відбувається, коли протон переміщується з однієї частини молекули в іншу в межах тієї ж молекули. Щоб спостерігати за цими швидкоплинними рухами, команда використала ультрашвидку електронну камеру, здатну фіксувати молекулярні зміни у масштабі, що більш ніж у 10 000 разів менший за ширину людської волосини.
Завдяки цій високоточній часово-просторовій візуалізації в поєднанні з передовими комп’ютерними моделями вдалося встановити, що подія передачі протона супроводжується позаплощинним крутильним рухом – обидва процеси є ключовими для шляху розслаблення молекули.
Розуміння молекулярного розслаблення
Розслаблення – це процес, під час якого молекула переходить зі збудженого, високоенергетичного стану в нижчий енергетичний стан після поглинання світла.
Попередні дослідження пропонували різні механізми розслаблення молекул вуглеводнів після їх взаємодії зі світлом, але науковцям бракувало експериментальних доказів для підтвердження того, який процес насправді відбувається. У цьому дослідженні було ідентифіковано важливий шлях розслаблення, що включає передачу протона і молекулярне «скручування». Це відкриття створює основу для подальшого вивчення складніших молекул, які, як вважають науковці, зазнають подібних взаємодій. Це також допоможе краще зрозуміти механізми утворення забруднень.
Спостереження молекулярної динаміки в реальному часі
Взаємодія світла з нітроароматичними вуглеводнями має важливе значення для хімічних процесів в атмосфері, які можуть призводити до утворення смогів і забруднення. Однак зміни у формі молекул внаслідок взаємодії зі світлом надзвичайно важко виміряти, оскільки вони відбуваються в масштабах, менших за одну десяту мільярдної частки метра, і тривають лише мільйонну частку мільярдної частки секунди.
Релятивістський ультрашвидкий електронний дифракційний (UED) інструмент на Лінійному когерентному світловому джерелі (LCLS) у Національній прискорювальній лабораторії SLAC забезпечує необхідну часову і просторову роздільну здатність для спостереження за цими надзвичайно малими й швидкими рухами. LCLS є дослідницьким центром Міністерства енергетики США.
У цьому дослідженні вчені використали UED для спостереження за розслабленням фотозбудженого о-нітрофенолу. Потім вони застосували генетичний алгоритм структурного підбору, щоб отримати нові відомості про невеликі зміни в молекулярній формі, які залишалися невидимими в попередніх дослідженнях.
Зокрема, експеримент зафіксував ключові процеси в розслабленні о-нітрофенолу: передачу протона та депланаризацію (тобто обертання частини молекули з виходом за її площину). Моделювання за допомогою методу ab-initio підтвердило отримані експериментальні результати.
Ці висновки дають нове розуміння механізмів розслаблення, опосередкованих передачею протона, та відкривають шлях до подальших досліджень передачі протонів у більш складних молекулярних системах.