Um novo estudo mostra que os elétrons se espalhando pelas moléculas de piridina de duas maneiras diferentes, como mostrado pelo cone laranja listrado e a bobina vermelha, poderia ser separado, permitindo que os pesquisadores observem simultaneamente como os núcleos da molécula e os elétrons respondem a flashes de luz. O estudo foi feito com a "câmera de elétrons do SLAC, "MeV-UED. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Usando uma "câmera eletrônica" de alta velocidade no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, os cientistas capturaram simultaneamente os movimentos dos elétrons e núcleos de uma molécula depois que ela foi excitada com a luz. Isso marca a primeira vez que isso foi feito com difração de elétrons ultrarrápida, que espalha um poderoso feixe de elétrons de materiais para captar minúsculos movimentos moleculares.
"Nesta pesquisa, mostramos que, com difração de elétrons ultrarrápida, é possível acompanhar as mudanças eletrônicas e nucleares ao mesmo tempo que separa naturalmente os dois componentes, "diz Todd Martinez, um professor de química de Stanford e pesquisador do Stanford PULSE Institute envolvido no experimento. "Esta é a primeira vez que podemos ver diretamente as posições detalhadas dos átomos e as informações eletrônicas ao mesmo tempo."
A técnica pode permitir que os pesquisadores obtenham uma imagem mais precisa de como as moléculas se comportam enquanto medem aspectos de comportamentos eletrônicos que estão no centro das simulações de química quântica. fornecendo uma nova base para futuros métodos teóricos e computacionais. A equipe publicou suas descobertas hoje em Ciência .
Esqueletos e cola
Em pesquisas anteriores, O instrumento do SLAC para difração de elétrons ultrarrápida, MeV-UED, permitiu aos pesquisadores criar "filmes" de alta definição de moléculas em uma encruzilhada e mudanças estruturais que ocorrem quando moléculas em forma de anel se quebram em resposta à luz. Mas até agora, o instrumento não era sensível a mudanças eletrônicas nas moléculas.
"No passado, fomos capazes de rastrear os movimentos atômicos conforme aconteciam, "diz o autor principal Jie Yang, um cientista do Accelerator Directorate do SLAC e do Stanford PULSE Institute. "Mas se você olhar mais de perto, você verá que os núcleos e elétrons que constituem os átomos também têm papéis específicos a desempenhar. Os núcleos constituem o esqueleto da molécula, enquanto os elétrons são a cola que mantém o esqueleto unido. "
Congelando movimentos ultrarrápidos
Nestes experimentos, uma equipe liderada por pesquisadores do SLAC e da Universidade de Stanford estava estudando a piridina, que pertence a uma classe de moléculas em forma de anel que são centrais para processos conduzidos pela luz, como danos e reparo de DNA induzidos por UV, fotossíntese e conversão de energia solar. Como as moléculas absorvem luz quase instantaneamente, essas reações são extremamente rápidas e difíceis de estudar. Câmeras de velocidade ultra-alta como MeV-UED podem "congelar" movimentos que ocorrem em femtossegundos, ou milionésimos de bilionésimo de segundo, para permitir que os pesquisadores acompanhem as mudanças à medida que ocorrem.
Primeiro, os pesquisadores lançaram luz laser em um gás de moléculas de piridina. Próximo, eles explodiram as moléculas excitadas com um pulso curto de elétrons de alta energia, gerar instantâneos de seus elétrons e núcleos atômicos que se reorganizam rapidamente que podem ser agrupados em um filme de stop-motion das mudanças estruturais induzidas pela luz na amostra.
Com métodos anteriores, os pesquisadores puderam observar o átomo de nitrogênio em uma molécula de piridina se curvar para cima e para baixo quando excitado pela luz. Com este novo método, eles também foram capazes de ver as mudanças na densidade do elétron acontecendo ao mesmo tempo. As bolhas azuis representam a diminuição da densidade do elétron, enquanto as vermelhas mostram o aumento em relação à piridina não excitada. Crédito:Jimmy Yu / Universidade de Stanford
Uma separação limpa
A equipe descobriu que os sinais de dispersão elástica, produzido quando os elétrons difratam de uma molécula de piridina sem absorver energia, informações codificadas sobre o comportamento nuclear das moléculas, enquanto sinais de espalhamento inelásticos, produzido quando os elétrons trocam energia com a molécula, continha informações sobre mudanças eletrônicas. Elétrons desses dois tipos de espalhamento surgiram em ângulos diferentes, permitindo aos pesquisadores separar claramente os dois sinais e observar diretamente o que os elétrons e núcleos da molécula estavam fazendo ao mesmo tempo.
"Ambas as observações concordam quase que precisamente com uma simulação que é projetada para levar em consideração todos os canais de reação possíveis, "diz o co-autor Xiaolei Zhu, que era um pós-doutorado em Stanford na época deste experimento. "Isso nos fornece uma visão excepcionalmente clara da interação entre as mudanças eletrônicas e nucleares."
Técnicas complementares
Os cientistas acreditam que este método complementará a gama de informações estruturais coletadas por difração de raios-X e outras técnicas em instrumentos como o laser de raios-X Linac Coherent Light Source (LCLS) da SLAC, que é capaz de medir detalhes precisos da dinâmica química nas escalas de tempo mais curtas, como relatado recentemente para outra reação química induzida pela luz.
"Estamos vendo que o MeV-UED está se tornando cada vez mais uma ferramenta que complementa outras técnicas, "diz o co-autor e cientista do SLAC Thomas Wolf." O fato de que podemos obter estruturas eletrônicas e nucleares no mesmo conjunto de dados, medidos juntos, mas observados separadamente, fornecerá novas oportunidades para combinar o que aprendemos com o conhecimento de outros experimentos. "
'Uma nova maneira de ver as coisas'
No futuro, esta técnica pode permitir que os cientistas sigam processos fotoquímicos ultrarrápidos, onde o momento das mudanças eletrônicas e nucleares é crucial para o resultado da reação.
"Isso realmente abre uma nova maneira de olhar as coisas com difração de elétrons ultrarrápida, "diz o co-autor Xijie Wang, diretor do instrumento MeV-UED. "Estamos sempre tentando descobrir como os elétrons e os núcleos realmente interagem para tornar esses processos tão rápidos. Essa técnica nos permite distinguir o que vem primeiro - a mudança nos elétrons ou nos núcleos. Depois de obter uma imagem completa de como essas mudanças acontecem, você pode começar a prever e controlar as reações fotoquímicas. "
