Несмотря на то, что были разработаны теории для объяснения и предсказания того, как работает перенос заряда, они были подтверждены только косвенно из-за сложности наблюдения того, как структура молекулы реагирует на движения заряда с требуемым атомным разрешением и в требуемых сверхбыстрых временных масштабах.
В новом исследовании группа исследователей под руководством ученых из Университета Брауна, Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Эдинбургского университета использовала рентгеновский лазер на свободных электронах SLAC для первых прямых наблюдений молекулярных структур, связанных с переносом заряда. в молекулах газа попадает свет.
Молекулы этого газа, называемые N, N?-диметилпиперазин или DMP, обычно симметричны, с атомами азота на каждом конце. Свет может выбить электрон из атома азота, оставив положительно заряженный ион, известный как «центр заряда»."
Любопытно, что этот процесс идет неравномерно; поглощение света создает центр заряда только в одном из двух атомов азота, и этот дисбаланс заряда деформирует атомный каркас молекулы, поэтому атомы компенсируют это за счет смещения положения относительно друг друга. Но в течение трех триллионных долей секунды заряд перераспределяется между двумя атомами азота до тех пор, пока он не выровняется и молекулы снова не станут симметричными, сообщают исследователи в статье, опубликованной сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Их исследование – первое, в котором непосредственно наблюдают, как структура молекулы изменяется по мере перераспределения заряда, при этом некоторые химические связи становятся длиннее, а некоторые короче, прежде чем окончательно вернуться в исходное состояние.
«Мы видим, как молекулы нарушают симметрию и реформируют симметрию», – сказал Питер Вебер, профессор химии из Университета Брауна, чья исследовательская группа начала изучать DMP почти десять лет назад. Он руководил исследованием с Адамом Киррандером из Эдинбургского университета и старшим научным сотрудником SLAC Майклом Минитти.
Односторонний ответ
Ученые из группы Вебера, в том числе Синьсинь Ченг – аспирант, который сейчас работает младшим научным сотрудником SLAC, – восемь лет назад обнаружили однобокую реакцию молекулы на свет.
Оказалось, что атомы азота молекулы находятся как раз на правильном расстоянии друг от друга, чтобы сделать ее идеальной моделью для изучения переноса заряда, открытие, которое вызвало много дискуссий среди теоретиков, работающих над пониманием этих процессов, а также усилий по их более подробному наблюдению.
В этом последнем исследовании Хайван Юн, аспирант лаборатории Вебера, работал с учеными SLAC, чтобы обеспечить более прямое наблюдение за реакцией DMP на свет.
Они поражают газ DMP импульсами света, за которыми следуют чрезвычайно короткие сверхяркие рентгеновские лазерные импульсы от лабораторного источника когерентного света линейного ускорителя (LCLS). Рентгеновские лучи LCLS рассеиваются от молекул таким образом, что выявляются положения отдельных атомов, длина связей между ними и то, как они меняются всего за несколько триллионных долей секунды.
«Интересно видеть, как рентгеновские лучи могут разрешить изменения в молекулярной структуре, возникающие в результате переноса заряда», – сказал Киррандер.
Вебер сказал, что результаты демонстрируют ценность метода для получения более подробной информации, чем в предыдущих экспериментах.
Исследовательская группа использовала эту информацию для проверки теоретических моделей реакции молекул, выявив недостатки традиционного подхода, известного как теория функционала плотности. Вебер отметил, что данные, похоже, подтверждают подробные теоретические расчеты того, как происходит перенос заряда, выполненный Ханнесом Йонссоном из Университета Исландии, который не участвовал в этом исследовании.
Минитти, который с самого начала работал над DMP с лабораторией Брауна и участвовал в этом исследовании, сказал, что было трудно получить теоретическое понимание того, как работают эти асимметричные системы, потому что экспериментальные данные о них были настолько скудными и косвенными.
«Эта работа является значительным шагом вперед, – сказал он, – давая нам важную информацию о том, как молекула реагирует во время процесса переноса заряда. Для подобных исследований нужна целая деревня – нам нужны эксперименты, чтобы обосновать теорию, и наоборот, чтобы помочь нам визуализировать эту вещь."
В дальнейшем частота повторения импульсов источника рентгеновского излучения LCLS значительно увеличилась: со 120 импульсов в секунду до 1 миллиона импульсов в секунду.
Это позволит исследователям изучать гораздо более сложные системы, обеспечивая разработку новых подходов к производству солнечной энергии и технологий хранения энергии, а также многих других приложений.
LCLS – это пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США, и Управление науки финансировало эту работу.