Sehen Sie ringförmiges Molekül in Rekord-Fast Film zu entwirren

Ein Molekül ist der weltweit kleinste Filmstar geworden.

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler eine chemische Reaktion beobachtet, als es auf der molekularen Ebene, mit Geschwindigkeiten, die vorher zu schnell geschah zu sehen waren. Das Experiment könnte zu Einsichten über wie komplexe Moleküle zu Verhalten und warum sie die Formen annehmen, sie tun.

Am SLAC National Accelerator Laboratory, ein Team von Forschern verwendet zwei Laserstrahlen — in dem ultravioletten und ein weiteres in der Röntgen-Wellenlängen – ein Bild von einer Chemikalie namens 1,3-Cyclohexadiene (KHK), wie es in einer anderen Form namens 1,3,5-Hexatriene verwandelt. Sie erfasst Bilder von der Reaktion auf einer Skala von Femtosekunden oder Millionstel einer Milliardstel Sekunde. [Die ultraschnelle molekulare Film ansehen]

"Wir so sieht CHD Art von wissen," sagte Michael Minitti, Hauptautor der Studie und eine wissenschaftliche Mitarbeiterin am SLAC Leben Wissenschaft. "Das Problem war die Schritte zwischen einem Formular und einem anderen."

KHK besteht aus sechs Kohlenstoffatomen in einem Ring mit Wasserstoff-Atome auf der Außenseite, wie Speichen. Trifft UV-Licht einer bestimmten Wellenlänge es, eines der Kohlenstoff Anleihen Pausen und die KHK 1,3,5-Hexatriene verwandelt. Diese Chemikalie besteht aus den gleichen chemischen Elementen aber angeordnet ist, um eine andere Form zu bilden.

Solche Reaktionen werden als elektrozyklischer bezeichnet, und sie zeigen sich in vielen verschiedenen Orten – zum Beispiel ist es eine der Möglichkeiten, die Tiere Vitamin D aus Sonnenlicht synthetisieren. Obwohl sie häufig sind, sind nicht elektrozyklischer Reaktionen so gut verstanden. Eine große Frage für physikalische Chemiker wurde, was passiert mit einem Molekül wie KHK, nachdem es durch UV-Licht getroffen wird, aber bevor es sich 1,3,5-Hexatriene verwandelt.

Um ihren Film zu machen, setzen die Forscher zunächst eine gasförmige Form der KHK in eine Kammer mit sehr geringem Druck. Dann feuerte sie den ultravioletten Laser, brechen eines Kohlenstoff-Bindungen. Der nächste Schritt war eine Röntgenlaser verwenden, um das Molekül zu zappen. Die Röntgenlaserblitze dauerte nur wenige Femtosekunden, wie die gesamte Reaktion von KHK in Hexatriene weniger als 200 Femtosekunden in Anspruch nimmt.

Die Röntgenstrahlen aus den Molekülen verstreut und mit Blick auf ein Muster von Licht und Dunkelheit auf einen Detektor, konnten die Forscher die Form des Moleküls gelesen. Brennen der Röntgenlaser wiederholt über einen winzigen Bruchteil einer Sekunde zeigte, wie die Form im Laufe der Zeit verändert.

Die Technik ist ähnlich wie x-ray Diffraction verwendet, wenn die Struktur der DNA oder Kristalle untersuchen. (In der Tat wurde die Struktur der DNA genau so in den 1950er Jahren entdeckt.) Es gibt jedoch entscheidende Unterschiede: x-ray Diffraction nicht alles im Laufe der Zeit zu messen, so dass das resultierende Bild statisch ist; die Röntgenstrahlung in diesem neuen Experiment wurden durch einen Laser erzeugt; und KHK ist ein Gas, im Gegensatz zu DNA-Moleküls. "Gasmoleküle eine Struktur nicht," sagte Minitti. "Es sieht aus wie jemand auf dem Detektor nieste."

Als Chemiker können sehen, wie die Form ändert, es sagt ihnen, wie solche Chemikalien in einer bestimmten Weise verändern, die zuvor nicht bekannt war. Moleküle sind in der Regel für Staaten der Mindestanforderungen an die Energieeffizienz, genauso wie ein Stein ins Rollen zwischen zwei Hügeln neigen dazu, auf den Boden fallen und dort zu bleiben. Regionen der hohen und niedrigen potenziellen Energie umgeben das Molekül, und wenn dieses Molekül Form ändert, werden seine Atome tendenziell in den niedrig-Energie-Regionen bleiben. Das heißt die Formen sind spezifisch, und zu wissen, was sie bietet Einblick in die Prozesse, die die endgültige Formulare erstellen.

Während das Forscherteam um die KHK zu ändern, die zeitliche Auflösung zu sehen war – entsprechend der Anzahl der "Frames" in einem normalen Film – war nicht ganz hoch genug, um jeden Schritt zu sehen, sagte Minitti. Jeder "Frame" war etwa 25 Femtosekunden, so gäbe es etwa acht in der Animation. Im nächsten Experiment geplant für Januar 2016 hofft er, ein besseres Bild der ändert sich mit kleineren Abständen erhalten. Trotzdem zeigt das neue Experiment, dass solche molekularen Filmerstellung möglich.

Die Studie ist in den 22 Juni-Ausgabe der Zeitschrift Physical Review Letters detailliert.

Folgen Sie uns @livescience , Facebook & Google + .