11.03.2021 - ICFO – The Institute of Photonic Sciences

Bestimmung der Struktur eines Moleküls mit laser-induzierter Elektronenbeugung

Lichtmikroskope haben unser Verständnis des Mikrokosmos revolutioniert, aber ihre Auflösung ist auf etwa 100 Nanometer begrenzt. Um zu sehen, wie sich Moleküle verbinden, brechen oder ihre Struktur verändern, brauchen wir eine mindestens 1000-mal bessere Auflösung.

Die laserinduzierte Elektronenbeugung (LIED) ist eine Technik, die es erlaubt, die einzelnen Atome innerhalb eines einzelnen Moleküls genau zu lokalisieren und zu sehen, wohin sich jedes Atom bewegt, wenn das Molekül eine Reaktion durchläuft. Diese Technik erwies sich als ein erstaunliches Werkzeug für die Abbildung von Molekülen wie Wasser, Carbonylsulfid oder Kohlenstoffdisulfid. Die Verwendung eines starken Laserfeldes zur Erzeugung der Elektronenbeugung stellte jedoch eine Herausforderung bei der Ermittlung der genauen Struktur dar, da die Strukturauflösung von der genauen Kenntnis des Laserfeldes selbst abhing.

In einer kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Studie haben die ICFO-Forscher Aurelien Sanchez, Kasra Amini, Tobias Steinle und Xinyao Liu unter der Leitung von ICREA-Professor am ICFO Jens Biegert in Zusammenarbeit mit Forschern der Kansas State University, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und der Friedrich-Schiller-Universität Jena über einen alternativen und neuartigen Ansatz berichtet, der genaue und präzise Informationen über die atomare Struktur ohne exakte Kenntnis des Laserfeldes liefert. Sie wendeten die Methode erfolgreich auf die Abbildung des gasförmigen Moleküls Carbonylsulfid (OCS) an, insbesondere auf die Bindungslängen zwischen den konstituierenden Atomen, und zeigten eine signifikant gebogene und asymmetrisch gestreckte Konfiguration der ionisierten OCS+-Struktur.

Bestimmung der atomaren Bindungen von Carbonylsulfid

In ihrem Experiment nahmen die Wissenschaftler ein Gasgemisch aus 1% OCS in Helium und expandierten es mit Überschall, um einen Molekularstrahl des Gases mit einer Temperatur unter 90K zu erzeugen. Dann nahmen sie einen 3,2?m-Laser und setzten das Molekül dem starken Laserfeld aus. Die Wechselwirkung zwischen dem Laser und dem Molekül erzeugte ein beschleunigtes Elektron, das aus dem Molekül freigesetzt, in das Laserfeld beschleunigt und durch das elektrische Feld des Lasers zum Zielion zurückgeführt wurde; die erneute Kollision des Elektrons mit der Ionenstruktur erzeugte einen molekularen Abdruck der Struktur, und durch Extraktion dieser Information aus dem Elektroneninterferenzmuster und der Streuwinkelanalyse waren die Wissenschaftler in der Lage, die richtige Struktur des Moleküls zu bestimmen.

Neuartigkeit des Ansatzes

Die Neuartigkeit dieses Ansatzes mit dem Namen ZCP-LIED liegt darin, dass die Wissenschaftler einen sehr cleveren Weg gefunden haben, die atomaren Informationen zu erhalten, indem sie die vollständigen 2D-Elektronenstreuungsinformationen verwenden, hauptsächlich die Energie- und Streuwinkelspektren des Elektrons im Laborrahmen anstelle des Laserrahmens, was die Statistik der Ergebnisse drastisch verbessert. Neben der Verwendung von 2D-Daten anstelle von 1D-Informationen identifizierten sie auch eine Besonderheit in den Spektren, die sie als Positionen des Nulldurchgangspunkts (ZCP) bezeichneten (wo das Interferenzsignal einen Nullwert zeigte). Indem sie die Analyse über diese kritischen Punkte durchführten, waren die Wissenschaftler in der Lage, aus einem viel kleineren Datensatz genauere Informationen über die Bindungslängen der Atome, aus denen das Molekül besteht, zu erhalten, was die Berechnungszeit ganz erheblich reduzierte.

Zur Validierung ihres Ansatzes verwendeten sie verschiedene Methoden, verglichen sie mit quantenchemischen theoretischen Simulationen und bewiesen, dass ihre ZCP-LIED-Technik die Abstände zwischen den Atomen mit einer viel höheren Präzision erhalten konnte, dass sie Bindungsabstände ähnlicher Länge messen konnte (etwas, das mit früheren Methoden ziemlich unmöglich war), dass sie die Umwandlung von Bezugsrahmen vermied und in der Lage war, die Molekülstruktur in Umgebungen zu bestimmen, in denen das Hintergrundrauschen beträchtlich sein konnte. Unter Berücksichtigung all dessen berichteten sie, dass sie die molekulare Information von 10-Atom-Molekülen erhalten haben, und insbesondere für das Carbonylsulfid, wo sie sahen, dass das Molekül OCS+ eine deutlich gebogene und asymmetrisch gestreckte Struktur hatte, anders als das, was frühere Studien für dieses Molekül bestimmt hatten.

Die Ergebnisse dieser Studie haben gezeigt, dass die ZCP-LIED-Technik ein sehr leistungsfähiges Werkzeug zur Bestimmung der Molekülstruktur von großen und komplexeren Molekülen sein könnte. Sie könnte auch auf die ultraschnelle Elektronenbeugung (UED) und sogar die ultraschnelle Röntgenbeugung (UXD) ausgeweitet werden, um die geometrische Struktur von Molekülen in einer transienten Phase zu verfolgen.

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