DTU-forskere fanger molekyler i flugten

tirsdag 19 feb 19

Kontakt

Kristoffer Haldrup
Seniorforsker
DTU Fysik
22 98 37 20

Kontakt

Martin Meedom Nielsen
Professor
DTU Fysik
45 25 32 26
Forskere fra DTU har udviklet ny metode, der med stor nøjagtighed kan observere den strukturelle dynamik i molekylære systemer, som ellers vibrerer kaotisk og uforudsigeligt. Metoden giver ny indsigt der kan føre til, at man kan designe molekyler med særlige egenskaber.

Med en prøve af platinbaserede molekyler tilsat en ultrakort laserpuls med den helt rigtige bølgelængde er det muligt at ”fryse” molekylerne i deres ellers kaotiske og tilfældige vibrationer.

Derefter kan en serie af ultrakorte røntgenpulser fra en kilometer-lang røntgenlaser bruges til at studere, ikke bare de molekyler som er blevet foto-exciteret og ”frosset” i den exciterede tilstand, men også den størstedel af molekylerne, som ikke er blevet exciteret af laser-lyset.

Det er hovedpunkterne i en artikel, der er udvalgt som en af ”Editors Suggestion” i det anerkendte fysik-tidsskrift Physical Review Letters (PRL), som en række forskere fra DTU Fysik sammen med deres kollegaer fra DTU Kemi og fra Stanford netop har udgivet.

Læs artiklen i Physical Review Letters

Et unikt kig ind i molekylers opførsel

På røntgenlaseren LCLS ved Stanford University studerer forsker-teamet molekylet ”PtPOP”. Et modelsystem for nogle typer foto-katalyse. Det er særligt detaljerne i lys-drevet kemi, der er interessant for forskerne.

”Vi er interesserede i at undersøge, hvordan den molekylære struktur i nogle molekyler ringer som en klokke, efter at have absorberet en lys-foton. Det giver os direkte information om, hvordan og hvor meget af den absorberede lys-energi der fordeles som vibrationer i molekylet, og hvor meget der potentielt er til rådighed for at drive for eksempel en katalytisk reaktion”, forklarer Kristoffer Haldrup, seniorforsker på DTU Fysik.

De fleste kemiske reaktioner foregår mellem molekyler i deres grundtilstand, så derfor anvender forskerne et trick kaldet ”off-resonance excitation” til at låse nogle af molekylerne fast i en bestemt struktur.

"Når vi forstår hvordan et givent molekyle ”virker”, så kan vi sammen med vores kollegaer fra kemi begynde at overveje, hvordan man designer lignende molekyler"
Kristoffer Haldrup

”Det vi kalder ”off-resonance excitation” gør det det muligt at studere, hvordan strukturen i grundtilstanden udvikler sige på de ultrakorte, altså femtosekunder og picosekunder, tidsskalaer, som er helt afgørende i kemi. Når vi kombiner det med detaljerede beregninger udført i Professor Klaus B. Møllers gruppe på DTU Kemi giver røntgenmålingerne dermed et helt unikt kig ind i molekylernes opførsel”, fortæller Kristoffer Haldrup.

Det er håbet, at denne indsigt vil give mulighed for at forfine den helt grundlæggende forståelse af kemiske reaktioner. Denne bedre forståelse kan på sigt bane vejen for ”rationelt design” af molekyler med meget specifikke egenskaber indenfor for eksempel foto-katalyse.

”For at forstå hvordan noget virker, bliver vi nødt til at studere det, mens det virker, helt ned på de ultrakorte tidsskalaer. Når vi forstår hvordan et givent molekyle ”virker”, så kan vi sammen med vores kollegaer fra kemi begynde at overveje, hvordan man designer lignende molekyler, som er bedre til, for eksempel, at absorbere lysenergi. Og gemme denne lysenergi på en måde så den er tilgængelig – enten til kemiske reaktioner, eller som en del af en solcelle”, forklarer Kristoffer Haldrup.

Resultaterne og metoden, som nu er blevet publiceret, har potentialet til fremover at finde bred anvendelse til studier af kemiske reaktioner.