Kulisy działań w tej sprawie są dostępne w publikacji zamieszczonej na łamach Journal of the American Chemical Society. Eksperyment odbywał się w ośrodku European XFEL w Hamburgu, gdzie naukowcy wykorzystali metodę czasowo-rozdzielczej rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronowej (tr-XPS). Technika ta pozwala badać zmiany zachodzące wokół wybranych atomów poprzez analizę energii elektronów wybitych z ich wewnętrznych powłok. Dzięki niezwykle krótkim impulsom promieniowania rentgenowskiego badacze mogli wykonywać serię migawek, które po złożeniu stworzyły swoisty film przedstawiający przebieg reakcji chemicznej w czasie rzeczywistym.
Czytaj też: Naukowcy mają sześć nowych stopów do druku 3D. Wymyślił im je komputer
Obiektem badań była niewielka cząsteczka organiczna: 3-fluoropirydyna. Autorzy badań wybrali ją nieprzypadkowo. Zawiera bowiem zarówno atom azotu, jak i fluoru, które pełniły rolę dwóch niezależnych punktów obserwacyjnych. Po wzbudzeniu cząsteczki impulsem ultrafioletowym elektrony przechodziły do stanu o wyższej energii, a sama cząsteczka zaczynała zmieniać swój kształt. Następnie docierała do przecięcia stożkowego, czyli niezwykle krótkotrwałego stanu, w którym energia elektronów i ruch jąder atomowych stają się ze sobą silnie sprzężone. To właśnie w tym momencie dochodzi do błyskawicznego przekazania energii z elektronów na drgania całej cząsteczki.
Najciekawszym odkryciem okazało się jednak to, że poszczególne atomy “opowiadają” różne fragmenty historii tej samej reakcji. Sygnały pochodzące od atomu fluoru bardzo wyraźnie odzwierciedlały drgania cząsteczki, natomiast atom azotu dostarczał informacji zarówno o zmianach rozkładu ładunku elektrycznego, jak i o przekształceniach strukturalnych. Jaki z tego wniosek? Obserwacja tylko jednego atomu nie pozwala uzyskać pełnego obrazu zachodzących procesów. Dopiero analiza wielu miejsc jednocześnie umożliwia szczegółową rekonstrukcję przebiegu reakcji chemicznej.
Zdaniem autorów tych rewelacji ich odkrycie pokazuje, że wzbudzenie światłem może zwiększać czułość niektórych atomów na ruch ich sąsiadów. Innymi słowy, konkretne atomy stają się wyjątkowo dobrymi czujnikami, rejestrującymi zmiany zachodzące w całej cząsteczce. To otwiera drogę do znacznie dokładniejszego badania procesów fotochemicznych, które odgrywają kluczową rolę zarówno w biologii, jak i w nowoczesnych technologiach.
Naukowcy podkreślają, że podobną strategię będzie można wykorzystać do analizowania bardziej złożonych układów, w tym materiałów wykorzystywanych w ogniwach słonecznych, związków odpowiedzialnych za transport energii w procesie fotosyntezy czy elementów budulcowych DNA. Lepsze zrozumienie tego, jak energia przemieszcza się wewnątrz cząsteczek po pochłonięciu światła, może przyczynić się do opracowania wydajniejszych materiałów fotowoltaicznych, nowych katalizatorów oraz bardziej skutecznych leków.
Czytaj też: Naukowcy zamrozili światłowód i osiągnęli przełom. Oddziaływanie światła i dźwięku wzrosło jak szalone
Co ciekawe, w ostatnich latach badaczom udało się między innymi po raz pierwszy zarejestrować ruch atomów podczas katalizy chemicznej z wykorzystaniem zaawansowanej mikroskopii elektronowej. Najnowsza praca pozwala jednak pójść o krok dalej, ponieważ pozwala jednocześnie śledzić zarówno przemieszczanie się elektronów, jak i zmiany struktury cząsteczki z rozdzielczością czasową sięgającą femtosekund i pikosekund.
