Chemie je chaotický proces. Reakce probíhají v bilioninách sekundy, rozmazání pohybujících se elektronů a ohybových vazeb, které většina přístrojů jednoduše nedokáže zachytit.
Vědcům z European Synchrotron for Free Electromagnetic Radiation (European XFEL) se ale podařilo tento proces „zpomalit“. Pozorováním absorpce světla molekulou 3-fluorpyridinu nejenže viděli fakt reakce; pozorovali jeho vývoj atom po atomu. Existuje však varování: ne každý atom vypráví stejný příběh.
Není to jen o rychlosti. Otázkou je budoucnost.
Proč dusík a fluor reagují na světlo odlišně?
Většina lidí se mylně domnívá, že molekula se při reakci chová jako jediná rigidní jednotka. To není pravda.
V této studii vědci zjistili, že různé atomy ve stejné molekule zachycují různé aspekty fotochemické reakce. Ukázalo se, že oddělené sledování elektronické a vibrační dynamiky je možné pouze při pohledu na správné části molekuly.
Výběr 3-fluorpyridinu nebyl náhodný. Obsahuje atom dusíku a atom fluoru. Dvě různá pozorovací místa v jednom malém prstenci.
Mechanismus vypadá takto:
- Atom fluoru slouží jako jasný indikátor vibrační relaxace. Ukazuje, jak je přebytečná energie přerozdělována prostřednictvím vibračních pohybů molekuly.
- S atomem dusíku je situace složitější. Protože se přímo podílel na počátečním buzení, jeho signál je směsí změn v distribuci elektronů a strukturálních pohybů.
Jeden sleduje „třesení“, druhý „jiskru“.
Jak časově rozlišená spektroskopie zachycuje prchavé okamžiky
Vyfotografovat přerušení chemické vazby běžným fotoaparátem je nemožné. Potřebujete rentgenové snímky.
Konkrétně je vyžadována časově rozlišená rentgenová fotoelektronová spektroskopie (tr-XPS). Tým použil tuto metodu na přístroji Small Quantum Systems (SQS) na European Synchrotron.
Proces je přesný tanec světla:
- Ultrafialový laserový puls zasáhne molekulu. Pohltí energii, elektrony se přesunou na vyšší úroveň a plochá struktura se začne deformovat.
- Molekula dosáhne „kónického průsečíku“, prchavého spojení, kde se elektronické stavy setkávají a energie se přenáší obrovskou rychlostí.
- Po řízené prodlevě následuje pulz měkkých rentgenových paprsků. Vyřazuje pevně vázané elektrony buď z atomu dusíku nebo atomu fluoru.
Energie těchto vyřazených elektronů odhaluje povahu místního chemického prostředí. Opakováním postupu s různými zpožděními tým vytvořil sekvenci snímků o délce pouhých několika pikosekund.
„Nyní vidíme, že ne každé atomové místo nám poskytuje stejné informace v signálech, které zaznamenáváme,“ říká spoluautor studie Antonio Picon. “Některé atomy odhalují, kam jde náboj, zatímco jiné odhalují, jak molekula vibruje.”
Bez pokročilých simulací by tyto energetické posuny byly jednoduše sbírkou dat. S nimi se proměňují ve filmy. Modely spojují změny v energii elektronů s fyzickým pohybem jader, čímž znovu vytvářejí obraz vývoje náboje a pohybu v čase.
Co to znamená pro studium DNA a solárních materiálů
Proč nás zajímá jeden konkrétní kruh atomů?
Protože tato metoda odděluje elektronické změny a strukturální pohyb, i když k nim dochází současně. Dříve byly tyto dva procesy při měření často zaměňovány. Nyní je lze oddělit.
To otevírá dveře do několika oblastí vědy:
- Ochrana DNA: Pochopení, jak přesně molekuly rozptylují energii, aby chránily genetický kód před poškozením světlem.
- Sběr energie: Pozorování pohybu energie prostřednictvím materiálů sbírajících světlo v solárních technologiích.
- Základní prvky biomolekul: Analýza světlem indukovaných změn v komplexních biologických systémech.
Daniel Rivas, spoluautor a bývalý vědec nástroje SQS, to říká na rovinu: „Proto byl evropský synchrotron vytvořen – k pozorování chemických změn od jejich samého počátku, v jejich přirozeném časovém měřítku.“
Toto je nové okno do fotochemie. Mikroskopické, ale zcela jasné.
Nyní není výzvou jen vidět reakci. Je důležité vědět, na který atom se podívat, abychom získali pravdu.
