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高速'电子相机'电影高清分子电影

2019-04-19 10:09:12   来源:

凭借能源部SLAC国家加速器实验室中极其快速的“电子相机”,研究人员制作了第一部环形分子的高清“电影”,以响应光线而打开。结果可以进一步了解在化学中起重要作用的类似反应,例如在我们体内产生维生素D.

先前使用SLAC的Linac相干光源(LCLS)X射线激光器生成的相同反应的分子电影首次记录了反应过程中的大的结构变化。现在,利用实验室的超快电子衍射(UED)仪器,这些新结果提供了高分辨率的细节 - 例如,显示环中的键断裂和原子如何长时间摇晃。

斯坦福大学斯坦福大学斯坦福大学和斯坦福大学的科学家兼研究团队负责人托马斯沃尔夫说:“这一开环反应的细节现已得到解决。”“事实上,我们现在可以直接测量化学反应过程中键距的变化,这使我们能够提出有关光刺激的基本过程的新问题。”

参与这两项研究的SLAC科学家Mike Minitti说:“结果证明了我们用于研究超快过程的独特仪器如何相互补充.LCLS擅长以极快的快门速度拍摄快照,其速度仅为几飞秒,或百万分之一十亿分之一秒,UED提高了这些快照的空间分辨率。这是一个很好的结果,这些研究验证了彼此的发现,这在使用全新的测量工具时非常重要。“

LCLS主任Mike Dunne说:“我们现在正在向广泛的科学界提供SLAC的UED仪器,此外还通过将其能量范围加倍并改变其重复率来增强LCLS的非凡能力。两种工具的结合使我们独特地定位我们能够对超小型和超快型基础过程进行最佳研究。“

该团队今天在Nature Chemistry上报告了他们的结果。

高清分子电影

这个特殊的反应之前已经研究了很多次:当一种称为1,3-环己二烯(CHD)的环状分子吸收光时,键断裂并且分子展开形成几乎线性的分子称为1,3,5-己三烯(H T)。该过程是开环反应的教科书示例,并且用作研究维生素D合成期间的光驱动过程的简化模型。

2015年,研究人员研究了与LCLS的反应,这导致了第一部详细的分子电影,并揭示了激光闪光击中后分子如何从环变为雪茄状。最初具有有限空间分辨率的快照通过计算机模拟得到进一步关注。

这项新研究使用的是UED技术,研究人员通过样本发送高能量的电子束,以数百万电子伏特(MeV)测量 - 精确测量原子对之间的距离。在初始激光闪光之后以不同的间隔拍摄这些距离的快照并跟踪它们如何变化,这使得科学家能够创建一个停止运动的电影,其中包含样本中光诱导的结构变化。

对于非常稀释的样品,电子束也产生强信号,例如研究中使用的CHD气体,SLAC科学家,XV-UED仪器主任Xijie Wang说。“这使我们能够在比以前更长的时间内完成开环反应。”

令人惊讶的细节

新数据揭示了有关反应的几个令人惊讶的细节。

他们表明,随着CHD环破裂,原子的运动加速,帮助分子摆脱多余的能量并加速它们向伸展的HT形式的过渡。

电影还捕捉到了当分子变得越来越线性时,HT分子的两端如何摇晃。这些旋转运动持续至少一皮秒或万亿分之一秒。

沃尔夫说:“我从未想过这些动作会持续那么长时间。”“它表明反应不会以环开口本身结束,并且光诱导过程中的持续运动比以前认为的要长得多。”

一种有潜力的方法

科学家们还利用他们的实验数据来验证一种新开发的计算方法,将原子核的运动包含在化学过程的模拟中。

“UED为我们提供了测试这些方法所需的高空间分辨率的数据,”斯坦福化学教授和PULSE研究员Todd Martinez说,他的小组领导了计算分析。“本文是对我们方法的最直接的测试,我们的结果与实验非常吻合。”

除了提高计算机模拟的预测能力之外,这些结果将有助于加深我们对生命基本化学反应的理解,Wolf说:“我们非常希望我们的方法能够为更复杂的分子研究铺平道路。生命过程中使用的那些。“

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