Istraživači iz SLAC National Accelerator Laboratori su prvi put snimili jedno od najbržih kretanja molekula zvanog fericijanid kombinovanjem dve ultrabrze tehnike rendgenske spektroskopije. Oni misle da bi njihov pristup mogao pomoći u mapiranju složenijih hemijskih reakcija poput transporta kiseonika u krvnim ćelijama ili proizvodnje vodonika pomoću veštačke fotosinteze.
Istraživački tim iz SLAC-a, Stanforda i drugih institucija počeo je sa onim što je sada prilično standardna tehnika: ubacili su mešavinu fericijanida i vode ultraljubičastim laserom i svetlim rendgenskim zracima generisanim rendgenskim zracima Linac koherentnog izvora svetlosti (LCLS). laser sa slobodnim elektronima. Ultraljubičasto svetlo je izbacilo molekul u uzbuđeno stanje, dok su rendgenski zraci ispitivali atome uzorka, otkrivajući karakteristike atomske i elektronske strukture i kretanja fericijanida.
Ono što je ovog puta bilo drugačije je kako su istraživači izvukli informacije iz rendgenskih podataka. Umesto proučavanja samo jednog spektroskopskog regiona, poznatog kao glavna emisiona linija Kβ, tim je uhvatio i analizirao drugi emisioni region, nazvan od valence do jezgra, koji je bio znatno izazovniji za merenje na ultrabrzim vremenskim okvirima. Kombinovanje informacija iz oba regiona omogućilo je timu da dobije detaljnu sliku molekula fericijanida dok je evoluirao u ključno prelazno stanje.
Tim je pokazao da fericijanid ulazi u srednje, pobuđeno stanje za oko 0,3 pikosekunde – ili manje od triliontinog dela sekunde – nakon što je pogođen UV laserom. Očitavanja od valence do jezgra su zatim otkrila da nakon ovog kratkotrajnog, uzbuđenog perioda, fericijanid gubi jedan od svojih molekularnih cijanidnih „rukova“, nazvanih ligand. Fericijanid tada ili popunjava ovaj nedostajući spoj istim ligandom na bazi ugljenika ili, što je manje verovatno, molekulom vode.
„Ova razmena liganda je osnovna hemijska reakcija za koju se smatralo da se dešava u fericijanidu, ali nije bilo direktnih eksperimentalnih dokaza o pojedinačnim koracima u ovom procesu“, rekao je naučnik iz SLAC-a i prvi autor Marko Rajnhard. „Sa pristupom analize glavne emisione linije Kβ, ne bismo zaista mogli da vidimo kako molekul izgleda kada se menja iz jednog stanja u drugo; samo bismo dobili jasnu sliku početka procesa .“
„Želite da budete u mogućnosti da ponovite ono što priroda čini da poboljša tehnologiju i poveća naše temeljno naučno znanje“, rekao je viši naučnik SLAC-a Dimostenis Sokaras. „A da biste bolje replicirali prirodne procese, morate znati sve korake, od najočiglednijih do onih koji se dešavaju u mraku, da tako kažem.“
U budućnosti, istraživački tim želi da proučava složenije molekule, kao što su hemeproteini, koji transportuju i skladište kiseonik u crvenim krvnim zrncima — ali to može biti teško proučavati jer naučnici ne razumeju sve međustepene njihove reakcije, rekao je Sokaras .
Istraživački tim je tokom mnogo godina usavršavao svoju tehniku rendgenske spektroskopije na SLAC-ovom izvoru svetlosti sinhrotronskog zračenja (SSRL) i LCLS-u u Stenfordu, a zatim je kombinovao svu ovu ekspertizu na LCLS-ovom instrumentu za spektroskopiju rendgenskih zraka (KSCS) kako bi uhvatio molekularne strukturne promene fericijanida . Tim je objavio svoje rezultate danas u Nature Communications.
„Iskoristili smo i SSRL i LCLS da završimo eksperiment. Nismo mogli da završimo razvoj naše metode bez pristupa oba objekta i naše dugogodišnje zajedničke saradnje“, rekao je Roberto Alonso-Mori, vodeći naučnik SLAC-a. „Godinama smo razvijali ove metode na ova dva izvora rendgenskih zraka, a sada planiramo da ih upotrebimo za otkrivanje ranije nedostupnih tajni hemijskih reakcija.
