Os pesquisadores usaram pulsos de raios-X de ultra-alta velocidade para fazer um "filme" de alta resolução de uma molécula passando por movimentos estruturais. A pesquisa, publicado em Química da Natureza , revela a dinâmica dos processos em detalhes sem precedentes - capturando a excitação de um único elétron na molécula.

A capacidade de ver os movimentos moleculares em tempo real oferece insights sobre os processos de dinâmica química que eram impensáveis ​​apenas algumas décadas atrás, os pesquisadores dizem, e pode, em última análise, ajudar a otimizar reações e projetar novos tipos de química.

"Por muitos anos, os químicos aprenderam sobre as reações químicas essencialmente estudando as moléculas presentes antes e depois da ocorrência de uma reação, "disse Brian Stankus, um recente Ph.D. graduado pela Brown University e co-autor principal do artigo. "Era impossível observar a química enquanto acontecia porque a maioria das transformações moleculares acontecem muito rapidamente. Mas fontes de luz ultrarrápidas como a que usamos neste experimento nos permitiram medir os movimentos moleculares em tempo real, e esta é a primeira vez que esses tipos de efeitos sutis são vistos com tanta clareza em uma molécula orgânica desse tamanho. "

O trabalho é uma colaboração entre químicos de Brown, cientistas do SLAC National Accelerator Laboratory e teóricos químicos da Universidade de Edimburgo, no Reino Unido. A equipe foi liderada por Peter Weber, professor de química na Brown.

Para o estudo, os pesquisadores analisaram os movimentos moleculares que ocorrem quando a molécula orgânica N-metil morfolina é excitada por pulsos de luz ultravioleta. Pulsos de raios-X da Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC foram usados ​​para tirar fotos em diferentes estágios da resposta dinâmica da molécula.

"Basicamente, atingimos as moléculas com luz ultravioleta, que inicia a resposta, e, em seguida, frações de segundo depois, tiramos uma "foto" - na verdade, capturamos um padrão de espalhamento - com um pulso de raios-X, "Stankus disse." Nós repetimos isso indefinidamente, com diferentes intervalos entre o pulso de UV e o pulso de raios-X para criar uma série temporal. "

Os raios X se espalham em padrões específicos, dependendo da estrutura das moléculas. Esses padrões são analisados ​​e usados ​​para reconstruir a forma da molécula à medida que os movimentos moleculares se desenvolvem. Essa análise de padrão foi liderada por Haiwang Yong, um estudante de graduação na Brown e co-autor do estudo.

O experimento revelou uma reação extremamente sutil em que apenas um único elétron fica excitado, causando um padrão distinto de vibrações moleculares. Os pesquisadores foram capazes de obter imagens da excitação do elétron e da vibração atômica em detalhes.

"Este artigo é um verdadeiro marco porque, pela primeira vez, fomos capazes de medir com grande clareza a estrutura de uma molécula em um estado excitado e com resolução de tempo, "disse Weber, o autor correspondente do estudo.

"Fazer esses tipos de medições quase sem ruído de energia e tempo não é pouca coisa, "disse Mike Minitti, um cientista sênior da equipe do SLAC e co-autor do estudo. "Nos últimos sete anos, nossa colaboração aprendeu muito sobre a melhor forma de usar os vários diagnósticos LCLS para medir com precisão as pequenas flutuações nas intensidades de raios-X, e em uma extensão ainda maior, rastreie as mudanças na escala de tempo de femtossegundos nas quais as moléculas evoluem. Tudo isso informou o desenvolvimento de rotinas de análise de dados personalizados que praticamente eliminam o incômodo, sinais indesejados para nossos dados. Esses resultados demonstram a fidelidade que podemos alcançar. "

Um aspecto particularmente interessante da reação, os pesquisadores dizem, é que é coerente - ou seja, quando grupos dessas moléculas interagem com a luz, seus átomos vibram em harmonia uns com os outros.

"Se pudermos usar experimentos como este para estudar como exatamente a luz pode ser usada para direcionar o movimento coletivo de bilhões de moléculas, podemos projetar sistemas que podem ser controlados de forma coerente, "Stankus disse." Simplificando:se entendermos exatamente como a luz direciona os movimentos moleculares, podemos projetar novos sistemas e controlá-los para fazer química útil. "