Wissenschaftler haben bei der Beobachtung mikroskopischer chemischer Reaktionen erhebliche Fortschritte gemacht. Forscher mehrerer Forschungseinrichtungen, darunter der European X-ray Free Electron Laser Facility (European
Innerhalb weniger Billionstel Sekunden nach der Absorption eines Photons erfährt das Molekül schnell eine strukturelle Biegung, einen Ladungstransfer und die Umwandlung von Elektronenenergie in molekulare Schwingungen. Da dieser Prozess extrem kurz ist, ist es mit herkömmlichen experimentellen Methoden schwierig, klare Details zu erfassen. Als Forschungsobjekt wählten die Forscher das zyklische kleine Molekül 3-Fluorpyridin und nutzten die darin enthaltenen Stickstoffatome und Fluoratome als zwei unabhängige Beobachtungspunkte. In dem Experiment verwendeten die Forscher zunächst einen Laserstrahl mit extrem kurzen Ultraviolettpulsen, um die Moleküle in den elektronisch angeregten Zustand anzuregen, und nutzten dann den vom European XFEL erzeugten extrem ultravioletten Röntgenpuls, um die Kernelektronen in den tiefen Schichten bestimmter Atome zu entfernen, und maßen genau die Energieänderungen, die diese Elektronen mitnehmen, was die Technologie der zeitaufgelösten Röntgenphotoelektronenspektroskopie (tr-XPS) darstellt.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Atome innerhalb desselben Moleküls während des Reaktionsprozesses völlig unterschiedliche Informationen aufzeichnen: Stickstoffatome, die am anfänglichen Anregungsprozess beteiligt sind, können die gemischte Dynamik von Ladungstransfer und strukturellen Veränderungen innerhalb des Moleküls deutlicher widerspiegeln; während Fluoratome hauptsächlich als Indikatoren für den „Schwingungsrelaxationsprozess“ des Moleküls dienen und zeigen, wie überschüssige Energie in der gesamten Molekülstruktur umverteilt wird. Untersuchungen haben auch gezeigt, dass optische Anregung die Empfindlichkeit bestimmter Atome gegenüber der Bewegung ihrer Nachbaratome erhöhen kann.
Durch die Kombination dieser mikroskopischen Messdaten mit fortschrittlichen numerischen Simulationen konnte das Forscherteam erfolgreich den gesamten Prozess rekonstruieren, bei dem sich das Molekül vom angeregten Zustand durch den „Kegelschnittpunkt“ (den kritischen Bereich, in dem der elektronische Zustand und die Kernbewegung eng gekoppelt sind) bewegt und schließlich in den Grundzustand zurückkehrt. Dieser Durchbruch beweist nicht nur, dass ultraschnelle Röntgenpulse nahezu gleichzeitige Elektronendynamik und Strukturbewegungen unterscheiden können, sondern beweist auch die einzigartigen Vorteile der kollaborativen Beobachtung an mehreren Standorten bei der Interpretation komplexer photochemischer Reaktionen. Es wird erwartet, dass diese Methode in Zukunft auf die Untersuchung mikroskopischer Mechanismen komplexerer biologischer Makromoleküle, funktioneller organischer Materialien und Materialien zur Umwandlung von Solarenergie ausgeweitet wird.