Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Với một ‘máy ảnh điện tử’ cực nhanh, các nhà nghiên cứu đã tạo ra ‘bộ phim’ độ phân giải cao đầu tiên của các phân tử hình vòng vỡ ra để phản ứng với ánh sáng. Các kết quả có thể giúp chúng ta hiểu hơn về các phản ứng tương tự với vai trò quan trọng trong hóa học, chẳng hạn như sản xuất vitamin D trong cơ thể chúng ta.
Với một “máy ảnh điện tử” cực nhanh tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng, các nhà nghiên cứu đã tạo ra “bộ phim” độ phân giải cao đầu tiên về các phân tử hình vòng vỡ ra để phản ứng với ánh sáng. Các kết quả có thể giúp chúng ta hiểu hơn về các phản ứng tương tự với vai trò quan trọng trong hóa học, chẳng hạn như sản xuất vitamin D trong cơ thể chúng ta.
Một bộ phim phân tử trước đây có cùng phản ứng, được sản xuất bằng tia X-quang Linac Coherent Light Source (LCLS) của SLAC, lần đầu tiên ghi lại những thay đổi cấu trúc lớn trong phản ứng. Bây giờ, bằng cách sử dụng thiết bị nhiễu xạ electron cực nhanh (UED) của phòng thí nghiệm, những kết quả mới này cung cấp các chi tiết có độ phân giải cao – ví dụ, cho thấy cách liên kết trong vòng bị phá vỡ và các nguyên tử lắc lư trong thời gian dài.
“Các chi tiết của phản ứng mở vòng này hiện đã được giải quyết”, Thomas Wolf, một nhà khoa học tại Viện nghiên cứu SLAC thuộc Đại học Stanford và Đại học Stanford và lãnh đạo nhóm nghiên cứu cho biết. “Việc chúng ta có thể đo trực tiếp các thay đổi về khoảng cách liên kết trong các phản ứng hóa học cho phép chúng ta đặt câu hỏi mới về các quá trình cơ bản được kích thích bởi ánh sáng.”
Nhà khoa học SLAC Mike Minitti, người tham gia vào cả hai nghiên cứu, cho biết: “Kết quả cho thấy các công cụ độc đáo của chúng tôi để nghiên cứu các quá trình cực nhanh bổ sung cho nhau như thế nào. một phần tỷ giây, UED điều chỉnh độ phân giải không gian của các ảnh chụp nhanh này. Đây là một kết quả tuyệt vời và các nghiên cứu xác nhận kết quả của nhau, điều này rất quan trọng khi sử dụng các công cụ đo lường hoàn toàn mới. “
Giám đốc LCLS Mike Dunne cho biết: “Chúng tôi hiện đang cung cấp công cụ UED của SLAC cho cộng đồng khoa học rộng lớn, ngoài việc tăng cường khả năng phi thường của LCLS bằng cách tăng gấp đôi khả năng tiếp cận năng lượng và thay đổi tốc độ lặp lại của nó. để cho phép các nghiên cứu tốt nhất có thể về các quy trình cơ bản trên quy mô siêu nhỏ và cực nhanh. “
Nhóm nghiên cứu đã báo cáo kết quả của họ ngày hôm nay trong Hóa học tự nhiên .
Phản ứng đặc biệt này đã được nghiên cứu nhiều lần trước đây: Khi một phân tử hình vòng gọi là 1,3-cyclohexadiene (CHD) hấp thụ ánh sáng, một liên kết bị phá vỡ và phân tử mở ra để tạo thành phân tử gần như tuyến tính được gọi là 1,3,5-hexatriene (HT). Quá trình này là một ví dụ trong sách giáo khoa về các phản ứng mở vòng và đóng vai trò như một mô hình đơn giản hóa để nghiên cứu các quá trình điều khiển ánh sáng trong quá trình tổng hợp vitamin D.
Vào năm 2015, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu phản ứng với LCLS, kết quả là bộ phim phân tử chi tiết đầu tiên thuộc loại này và tiết lộ cách thức phân tử thay đổi từ vòng thành hình dạng giống như điếu xì gà sau khi nó bị tia laser chiếu vào. Các ảnh chụp nhanh, ban đầu có độ phân giải không gian hạn chế, đã được đưa vào trọng tâm hơn thông qua các mô phỏng máy tính.
Nghiên cứu mới đã sử dụng UED – một kỹ thuật trong đó các nhà nghiên cứu gửi một chùm electron có năng lượng cao, được đo bằng hàng triệu electronvolts (MeV), thông qua một mẫu – để đo chính xác khoảng cách giữa các cặp nguyên tử. Chụp ảnh các khoảng cách này ở các khoảng thời gian khác nhau sau khi đèn flash laser ban đầu và theo dõi cách chúng thay đổi cho phép các nhà khoa học tạo ra một bộ phim chuyển động dừng về những thay đổi cấu trúc do ánh sáng trong mẫu.
Nhà khoa học SLAC Xijie Wang, giám đốc của công cụ MeV-UED cho biết, chùm tia điện tử cũng tạo ra tín hiệu mạnh cho các mẫu rất loãng, như khí CHD được sử dụng trong nghiên cứu. “Điều này cho phép chúng tôi theo dõi phản ứng mở vòng trong khoảng thời gian dài hơn nhiều so với trước đây.”
Dữ liệu mới tiết lộ một số chi tiết đáng ngạc nhiên về phản ứng.
Họ đã chỉ ra rằng các chuyển động của các nguyên tử tăng tốc khi vòng CHD bị phá vỡ, giúp các phân tử tự loại bỏ năng lượng dư thừa và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi của chúng sang dạng HT kéo dài.
Bộ phim cũng ghi lại cách hai đầu của phân tử HT cười đùa khi các phân tử ngày càng trở nên tuyến tính hơn. Những chuyển động quay này diễn ra trong ít nhất một picosecond, hoặc một phần nghìn giây.
“Tôi sẽ không bao giờ nghĩ những chuyển động này sẽ kéo dài lâu như vậy”, Wolf nói. “Nó chứng tỏ rằng phản ứng không kết thúc bằng việc mở vòng và rằng có nhiều chuyển động kéo dài hơn trong các quá trình cảm ứng ánh sáng so với suy nghĩ trước đây.”
Các nhà khoa học cũng sử dụng dữ liệu thực nghiệm của họ để xác nhận một phương pháp tính toán mới được phát triển để bao gồm các chuyển động của hạt nhân nguyên tử trong mô phỏng các quá trình hóa học.
“UED cung cấp cho chúng tôi dữ liệu có độ phân giải không gian cao cần thiết để kiểm tra các phương pháp này”, giáo sư hóa học Stanford và nhà nghiên cứu PULSE, ông Todd Martinez, người có nhóm dẫn đầu phân tích tính toán cho biết. “Bài viết này là thử nghiệm trực tiếp nhất về phương pháp của chúng tôi và kết quả của chúng tôi hoàn toàn phù hợp với thử nghiệm.”
Ngoài việc thúc đẩy sức mạnh dự đoán của mô phỏng máy tính, kết quả sẽ giúp hiểu sâu hơn về các phản ứng hóa học cơ bản của cuộc sống, Wolf nói: “Chúng tôi rất hy vọng phương pháp của chúng tôi sẽ mở đường cho các nghiên cứu về các phân tử phức tạp hơn thậm chí gần hơn với những cái được sử dụng trong quá trình sống. “
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia DOE / SLAC . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :