Учените за първи път наблюдаваха как енергията се пренася през молекулата веднага след поглъщането на светлината, като установиха, че отделните атоми могат да отразяват напълно различни аспекти на това преобразуване. Използвайки свръхбързи рентгенови импулси, генерирани от Европейския рентгенов лазер със свободни електрони (European XFEL), изследователите проследиха промените в конкретни атоми в момента, в който молекулата освобождаваше и преразпределяше погълнатата енергия. Резултатите показват, че въздействието на светлината може да направи атома по-чувствителен към движението на съседните атоми.

Разработената методика дава възможност на учените да изследват изключително бързи химични реакции на атомно ниво и в реално време. В перспектива това може да подобри разбирането за това как ДНК се противопоставя на въздействието на светлината, как енергията се пренася през материали, предназначени за събиране на светлина, и как протичат други фундаментални светлиннозависими процеси.

Проследяване на енергията вътре в молекулата

Обект на изследването стана 3-фторпиридинът – малка циклична молекула, съдържаща атоми на азот и флуор. Когато молекулата поглъща енергия от кратък ултравиолетов лазерен импулс, нейните електрони преминават на по-високо енергийно ниво. След това молекулата бързо се изкривява, отклонявайки се от обичайната си плоска структура.

В процеса на промяна на формата тя преминава през така наречената конична точка на пресичане — краткотрайна, но изключително важна точка, в която движенията на електроните и ядрата на атомите се свързват силно. Такива пресичания играят важна роля в много реакции, инициирани от светлина, тъй като позволяват на енергията бързо да преминава между електронното и структурното движение. След като премине през тази област, молекулата се връща в основното си състояние. Излишната електронна енергия се преобразува в колебания, които се разпространяват по молекулната структура.

Различните атоми показват различни промени

Преобразуването на енергията пораждаше отчетливи сигнали в различни части на молекулата. Атомът на флуора служи като относително ясен индикатор за това как колебанията на молекулата затихват с течение на времето. Атомът на азота разкрива по-сложна история. Тъй като той играе по-непосредствена роля в първоначалното електронно възбуждане, сигналът му отразява както преразпределението на електроните, така и промяната в структурата на молекулата.

„Сега виждаме, че не всяко атомно място разказва една и съща история в сигналите, които получаваме от нашите рентгенови импулси. Някои атоми съобщават накъде се движи зарядът, докато други показват как се колебае цялата молекула.“

казва Антонио Пикон от Института по материалознание в Мадрид (ICMM-CSIC), съавтор на изследването Реконструкция на пикосекундната трансформация

За регистриране на процеса екипът използва времеразрешена рентгенова фотоелектронна спектроскопия (tr-XPS) на апаратурата Small Quantum Systems (SQS) в European XFEL. Първо, ултравиолетов лазерен импулс предаваше енергия на молекулите. След това внимателно синхронизиран импулс от меко рентгеново излъчване ги йонизираше, избивайки дълбоко свързани електрони от атомите на азота или флуора.

Изследователите повтаряха измерването с различни закъснения между първоначалния лазерен импулс и рентгеновия импулс. Като регистрираха енергиите на избитите електрони, те възстановиха как химичната среда на всеки атом се променяше в рамките на само няколко пикосекунди (трилионни части от секундата). За интерпретация на експерименталните сигнали и свързването им с основните електронни и структурни промени бяха използвани усъвършенствани компютърни симулации и теоретични модели.

Нов поглед върху свръхбързата фотохимия

Резултатите демонстрират как ултракъсите рентгенови импулси с висока яркост, достъпни в European XFEL позволяват да се разграничат едни от най-бързите взаимосвързани движения в материята. Въпреки че експериментът беше фокусиран върху една относително проста молекула, същият подход може да бъде приложен към по-сложни системи. Потенциалните цели включват функционални органични молекули, градивни елементи на биомолекулите и материали, предназначени за улавяне или пренос на енергия от светлината.