Raios-X ultra-rápidos capturam movimentos atômicos em moléculas de catalisador ativadas pela luz

Os catalisadores facilitam as reações químicas cruciais na natureza e na indústria. Em um subconjunto deles, a atividade catalítica é desencadeada pela luz. Por exemplo, quando o pentacarbonil de ferro – uma molécula na qual um átomo de ferro central é cercado por cinco grupos de monóxido de carbono – é exposto à luz, o ferro lança seus grupos de monóxido de carbono um após o outro, criando pontos para outras moléculas para atracar durante uma reação catalítica.

Embora esse processo tenha sido estudado extensivamente com a espectroscopia, um método que mostra como a energia se transfer em moléculas, os principais detalhes de como os átomos do catalisador mudam a estrutura após serem atingidos pela luz permanecem desconhecidos.

Agora, escrevendo no diário Comunicações da naturezauma equipe liderada por pesquisadores do Laboratório de Acelerador Nacional SLAC do Departamento de Energia relatório Como eles usaram raios X ultra-rápidos da fonte de luz coerente de Linac (LCLs), combinada com os recentes avanços teóricos, para revelar aqueles movimentos atômicos Em uma escala de tempo de femtossegundos, milionésimos de um bilionésimo de segundo. A técnica pode ser usada para observar movimentos atômicos rápidos em catalisadores mais complexos.

“Parte da diversão é criar ferramentas que abrirão novas portas”, disse Adi Natan, investigador principal e cientista da equipe do Stanford Pulse Institute, um Instituto Conjunto de Slac e Universidade de Stanford. “E ser capaz de ver como as estruturas moleculares evoluem com detalhes sem precedentes nos permitirão aprender algo novo sobre a química das moléculas”.

Obtendo mais dos dados de espalhamento de raios-X

Na LCLS, a equipe brilhou pulsos de raios-X em seus ferro amostra pentacarbonil e analisou como os raios X se espalharam em um detector. As alterações no padrão de dispersão registradas ao longo do tempo lhes permitiu determinar como a estrutura atômica da amostra respondeu aos flashes de luz de disparo.

No entanto, o tamanho finito do detector e outras restrições experimentais limitam a quantidade de informações que os pesquisadores podem receber desses sinais de dispersão. Natan disse: “Transformar esses dados de dispersão restrita em informações estruturais em espaço actual é como tentar ver detalhes finos através de um espelho de diversão”.

Para superar essas limitações, os pesquisadores normalmente interpretam dados de dispersão, combinando simulações de possíveis estruturas moleculares com os dados em vez de traduzir os dados diretamente no espaço actual. Isso também significa que a análise se torna mais difícil, mais difícil é simular uma estrutura molecular. O centro de steel em pentacarbonil de ferro, por exemplo, torna as simulações de movimentos atômicos muito desafiadores.

Para contornar isso, Natan usou um abordagem teórica Ele desenvolveu anteriormente que relaciona os padrões de dispersão observados com as distâncias entre todos os pares atômicos possíveis na molécula. Isso permite que a estrutura seja extraída diretamente dos dados de espalhamento sem simulações.

Os ‘espectadores’ atômicos abrem o caminho para análises mais complexas

O estudo LCLS sobre pentaconil de ferro foi uma das primeiras aplicações experimentais dessa nova abordagem, e permitiu que os pesquisadores seguissem exatamente o que aconteceu com o pentaconil de ferro à medida que perdeu dois monóxido de carbono grupos seguindo um flash de luz.

Primeiro, a luz criou vibrações na molécula que levou à dissociação de um monóxido de carbono e a um rearranjo simultâneo dos restantes monóxidos de carbono ao redor do ferro central. Então, o segundo grupo de monóxido de carbono foi perdido com um movimento menos coordenado.

Mas a equipe de pesquisa também observou um efeito que eles não esperavam. Embora as vibrações observadas tenham se originado em um par de ferro-carbono, o mecanismo também ocorreu em muitos dos outros pares atômicos, que atuavam como “espectadores” que amplificaram o movimento authentic.

Natan disse que o efeito do espectador permite o rastreamento de movimentos atômicos em toda a molécula, usando o movimento do par atômico authentic para comparar os movimentos de outros pares. E, como o efeito não depende da complexidade de uma molécula, ele abre uma porta para observar moléculas muito mais complexas do que o pentaconil de ferro.

A combinação dos resultados estruturais com os dados de espectroscopia fornece uma imagem mais completa de como as reações químicas se desenrolam – as dicas que podem permitir que os pesquisadores adaptem o desempenho de catalisadores para diferentes aplicações.

“Compreender como a energia flui através de moléculas e como os átomos se movem no espaço e no tempo reais nos aproxima um passo do controle de reações químicas, ajudando -nos a projetar materiais”, disse Natan.

Além de pesquisadores do Stanford Pulse Institute, LCLS e Stanford, a equipe incluiu membros do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Doe; Universidade Brown; Western Connecticut State College; Universidade de Estocolmo, Suécia; e Centros de Pesquisa e Educação de TCG em Ciência e Tecnologia, Índia.