Hvad sker der inde i et molekyle, når en af de kemiske bindinger brydes?

Molekyler tager selfies! En international forskergruppe med Oriol Vendrell fra IFA som deltager, har udviklet en metode, hvor de individuelle atomer i et molekyle kan følges samtidig med at en enkelt proton slipper væk fra molekylet. Teknikken beskrives i Science 21. oktober 2016. Oriol Vendrell har bidraget til den nye opdagelse med beregninger af molekylets dynamik i et kraftigt felt

19.10.2016 | Ole J. Knudsen

Hvordan ville det være, hvis man kunne se de enkelte atomer i et molekyle flytte sig rundt i forhold til hinanden imens en kemisk reaktion er i gang? Det kunne være DNA-molekylet i gang med at dele sig og kopiere sig selv, eller det kunne være enklere processer. Det ville give en helt uhørt forståelse for molekylkemien, og det ville måske også gøre det muligt at kontrollere processerne.

Indtil nu har det ikke været muligt, dels fordi det kræver en rumlig opløsningsevne på subatomart niveau og dels fordi alle molekylets atomer skal følges med en tidslig opløsning på nogle få femtosekunder. At styre både tid og rum med den nøjagtighed har hørt til i science fictions drømmeverden i bedste fald. For 20 år siden dukkede der en sådan science fiction ide op: brug molekylets egne elektroner til at tage billeder af strukturen: Idag ville vi sige, at molekylet tager en selfie! Fantastisk god ide, men ikke gennemførlig - før nu.

 Teknikken kaldes LIED (Laser Induceret Elektron Diffraktion), og i en ny artikel i Science beskriver et forskerhold med deltagere fra Spanien, USA, Nederlandene, Tyskland og Danmark hvordan de har "filmet" en kemisk binding i acetylen (C2H2) blive brudt ni femtosekunder efter at det er sket (et femtosekund er en milliontedel af en milliardedel af et sekund; 10-15 s). Forskerholdet kunne følge de enkelte atomer i et isoleret acetylenmolekyle med hørt skarphed og tidsopløsning, og ikke nok med det, men de så også hvordan en enkelt proton forlader molekylet.

 

Principtegning af acetylenmolekylets opsplitning. Kilde:ICFO/Scixcel

 

 Jens Biegert, Barcelona er hovedforfatter på artiklen. Han fortæller: "Med vores nye metode er det endelig lykkes at få en så god opløsning i både rum og tid, at vi kan tage snapshots af det, der sker i et molekyle uden at gå glip af nogen trin i processen. Vi glæder os meget til at prøve med andre molekyler, som for eksempel katalysatorer og biologisk relevante stoffer".

 

 Hvordan lærer man et molekyle at tage en selfie?

 Man tager en superhurtig laser med lys i det midt-infrarøde område, og kombinerer den med et reaktionsmikroskop. Det gør det muligt at følge ændringer i 3D af fordelingen af elektroner og ioner i molekylet mens tingene foregår. Med en kort laserpuls bliver et enkelt isoleret acetylenmolekyle først orienteret i retningerne i rummet. Den næste laserpuls er så så kraftig, at den både kan skyde en elektron væk fra molekylet, og dernæst accelerere elektronen op og sende den tilbage mod molekylet med så stor en kraft, at den ion, som elektronen lige har forladt bliver revet ud at molekylet - og det hele sker i løbet af 9 femtosekunder.

 "Vi gør det samme som i de store forsøgsopstillinger i partikelfysikken: vi følger baner og kinetisk energi for alle deltagerne i kollissionen; bare med reaktionsmikroskopet," siger medforfatter Benjamin Wolter.

 Efter en del smart databehandling er det så lykkes for forskerne at udlede hele molekylets struktur, og desuden viste de, at dynamikken i den kemiske reaktion er helt forskellig alt efter om molekylet er orienteret på langs eller på tværs af det elektriske felt, som laseren skaber.

I det ene tilfælde begyndte molekylet blot at vibrere, og i det andet tilfælde blev der helt klart brudt en C-H binding. Aldrig før har det været muligt at observere opsplitning af bindinger eller en proton på vej væk fra en ioniseret molekylrest.

 Biegert slutter: "Vi har taget en enkelt elektron, har styret den ad en forudbestemt bane med laseren, og har skudt den tilbage ind i et isoleret molekyle for at studere det diffraktionsmønster, som opstår. Det er helt fantastisk af forestille sig hvor små størrelser i både tid og rum eksperimentet her beskriver. Det er et beundringsværdigt samarbejde, som har gjort det muligt. Deltagerne har været eksperimentatorer og teoretikere fra ICFO, Kansas State University, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Physikalisch Technische Bundesanstalt, Center for Free Electron Laser Science/DESY/CUI, Aarhus Universitet, Friedrich-Schiller University Jena, Leiden University og Universität Kassel."

Artiklen i Science kan findes her.

 

 

Institut for Fysik og Astronomi, Medarbejdere, Offentligheden / Pressen, Studerende