Obserwuj przemianę jonów molekularnych w czasie rzeczywistym | badania

Po raz pierwszy monitorowano skład i dynamikę strukturalną jonów molekularnych w fazie gazowej za pomocą szybkiej dyfrakcji elektronów w połączeniu ze wzmocnioną rezonansem jonizacją wielofotonową. Nowa metoda pokonuje niektóre trudności związane z badaniem tych związków chemicznych, otwierając ekscytujące możliwości w chemii jonowej.

„To niezwykłe osiągnięcie otwiera nowe granice w obrazowaniu i wnosi znaczący wkład w zrozumienie podstawowych mechanizmów rządzących chemią” – mówi. Andrei Trapattoniego w DESY w Hamburgu i na Uniwersytecie Leibniza w Hanowerze w Niemczech, którzy nie brali udziału w badaniu. Opisuje to podejście jako pionierskie i twierdzi, że daje nadzieję na rozszerzenie go na inne systemy.

Jony molekularne w fazie gazowej odgrywają ważną rolę w wielu reakcjach, szczególnie w chemii atmosferycznej i międzygwiazdowej, ale badanie tych gatunków i obserwowanie, jak powstają i zmieniają się w czasie rzeczywistym, było wyzwaniem. „Jony są bardzo reaktywne w swoim naturalnym stanie i szukają stabilności poprzez interakcje z innymi gatunkami. Ta wrodzona właściwość sprawia, że ​​trudno je obserwować” – wyjaśnia. Johna Hugha Z Instytutu Nauk Podstawowych (IBS) i Koreańskiego Instytutu Zaawansowanych Nauki i Technologii (KAIST) w Daejeon. „Nasze podejście pozwala nam uchwycić w formacie wideo moment, w którym jony ulegają zmianom”.

„Nasze badanie jest pierwszym, które monitoruje dynamikę jonów w fazie gazowej” – mówi. Heuchirl Ehi, który pracuje również w IBS i KAIST. „W naszych eksperymentach wykorzystaliśmy… Ultraszybka dyfrakcja elektronów megaelektronowoltów (MeV-UED) firmy SLAC. Jest to jedno z urządzeń zdolnych do generowania najszybszych impulsów elektronicznych na świecie. Ayhi, kolega Doyoung KimDodaje, że obiekt może przyspieszać elektrony do 0,99 prędkości światła.

Naukowcy zbadali los kationów 1,3-dibromopropanu (DBP).⁺), które wygenerowano przy użyciu jonizacji wielofotonowej wzmocnionej rezonansem (REMPI). „Konwencjonalne metody jonizacji są często radykalne i prowadzą do fragmentacji układu docelowego lub generowania niepożądanych produktów ubocznych” – mówi Kim. „Z drugiej strony RIMPI to metoda bardzo delikatna, która selektywnie wytwarza określone jony, które chcemy monitorować.

„Jony są przygotowywane w femtosekundowej skali czasu poprzez fotojonizację obojętnych cząsteczek” – wyjaśnia. Tomasz Wolfe, naukowiec z SLAC, który nie był zaangażowany w badania. „Wykorzystując ultrakrótkie impulsy elektronów z pikosekundowym opóźnieniem w stosunku do fotojonizacji, można mierzyć migawki strukturalne, gdy jony są nadal bardzo stężone i zanim zdążą ulotnić się”.

„Normalnie, gdy jony powstają pod wpływem siły, oczekuje się, że szybko ulegną one zmianom strukturalnym lub podzielą się na różne kształty, ale nasze wyniki ujawniły zjawisko, które jest sprzeczne z tymi oczekiwaniami” – zauważa Hu. Wyjaśnia to wkrótce po stworzeniu DBP⁺ jony, następuje przerwa, aby zmiany strukturalne nie pojawiły się natychmiast. Jony pozostawały w tym „ciemnym stanie” przez 3,6 pikosekundy, po czym stopniowo rozpadały się do najbardziej stabilnej konfiguracji, jaką był jon bromu o trójczłonowej strukturze pierścieniowej.

Wolf tak twierdzi, chociaż DBP⁺ System jest stosunkowo prosty, biorąc pod uwagę silnie rozproszone atomy bromu w jonach i długość fali REMPI łatwo dostępną w standardowych systemach laserowych.Ośrodek w SLAC ma obecnie zaawansowane możliwości dostrajania długości fali, dlatego uważa się, że eksperymenty na większej klasie jonów molekularnych mogłoby stać się możliwe.

„Aby zastosować tę metodę do bardziej globalnego układu jonowego, konieczne jest opracowanie różnych technik, takich jak efektywne odparowywanie i jonizacja próbki” – dodaje Ehe. „Dlatego wierzymy, że aby metody te mogły być szerzej stosowane, potrzebne będą dodatkowe innowacje, ale jeśli tak się stanie, spodziewamy się, że nasze podejście będzie można wykorzystać do badania różnych znanych substancji chemicznych”.