_ Filmarea mișcărilor moleculare ultrarapide într-o singură cristal

Înțelegerea comportamentului materiei este crucială pentru progresul în domenii științifice precum biologia, chimia și știința materialelor. Cristalografia cu raze X a jucat un rol esențial în această activitate, permițând oamenilor de știință să determine structurile moleculare cu precizie.

În experimentele tradiționale de cristalografie cu raze X, un singur cristal este expus de mai multe ori la raze X pentru a obține semnale de difracție. . Acest lucru ridică o problemă, în cazul în care proba are structura sa alterată sau deteriorată de expunerea la raze X.

În ultimii ani, progresele tehnologice au permis dezvoltarea „cristalografiei femtosecunde în serie cu rezoluție în timp” (TR -SFX). În cristalografia în serie, un cristal este expus la raze X o singură dată, ceea ce permite măsurarea probei în cea mai bună stare posibilă, unde cristalul nu este deteriorat de raze X. Acest lucru este apoi combinat cu tehnica populară rezolvată în timp, care permite ca modificările structurale ale moleculelor din cristale să fie urmărite în timp real în timpul unei reacții.

Cu toate acestea, TR-SFX până acum a fost limitat doar la studiul probelor de proteine. Dacă utilizarea TR-SFX poate fi extinsă la mostrele non-proteice, va debloca oportunități de a investiga mișcarea în timp real într-o gamă mai largă de materiale, cuprinzându-le pe cele cruciale pentru semiconductori și baterii.

Pentru pentru prima dată, cercetătorii conduși de directorul IHEE Hyotcherl al Centrului pentru dinamica avansată a reacțiilor din cadrul Institutului pentru Științe de bază (IBS) au aplicat TR-SFX la un alt sistem decât proteinele. Lucrarea a fost publicată în Nature Chemistry.

Materialul pe care l-au ales a fost un eșantion numit rețea de coordonare poroasă–224(Fe), PCN–224(Fe), pentru a demonstra fezabilitatea cristalografiei în serie la nivel molecular. nivel, permițându-le să observe mișcarea moleculară în timp real cu rezoluție atomică.

Proba constă din monoxid de carbon (CO) adsorbit pe derivați de porfirină de fier (porfirina Fe) și grupuri de zirconiu (Zr) repetate într-un metal –cadru organic.

Motivul pentru care TR-SFX era limitat anterior doar la studierea probelor de proteine ​​a fost că sunt necesare standarde mult mai înalte pentru evaluarea structurilor probelor non-proteice. Prin urmare, echipa IBS a trebuit să îmbunătățească foarte mult specificațiile cristalografiei pentru a îndeplini aceste criterii înalte.

Configurația echipei a dezvăluit structura cristalină la un total de 33 de puncte de timp variind de la 100 de femtosecunde la 3 nanosecunde. (10-9 secunde). Acesta este un avans față de studiile TR-SFX anterioare ale proteinelor, care raportează de obicei structuri cristaline la doar aproximativ 10 momente de timp. Această creștere substanțială a rezoluției temporale, de aproape trei ori mai mare decât studiile anterioare asupra proteinelor, a permis o reprezentare mai precisă a modificărilor structurale pe o perioadă lungă de timp.

Când PCN-224(Fe) este iradiat cu lumina, CO adsorbit pe porfirina Fe este disociata, initiand o cascada de modificari structurale. Folosind TR-SFX îmbunătățit, cercetătorii au reușit să observe aceste modificări structurale cu detalii fără precedent — cu o rezoluție în timp femtosecundă de 10-15 secunde și o rezoluție atomică de 10-10 metri (sau angstromi).

Au fost capabili să identifice trei căi diferite de schimbare structurală: doming, mișcarea atomilor de fier din porfirinele de fier din planul porfirinei; modul fonon al atomilor de zirconiu și fier; și mișcarea vibrațională aleatoare cu creșterea temperaturii.

Prin acest studiu, cercetătorii au arătat că este posibil să se aplice măsurători TR-SFX sistemelor chimice, un pas important înainte în demonstrarea caracterului practic al tehnicii.

Studiul marchează o piatră de hotar majoră pentru comunitatea științifică, deoarece este prima dată când comportamentul molecular a fost observat în timp real folosind cristalografia în serie. Folosind TR-SFX, o tehnică care oferă o rezoluție spațio-temporală mare, echipa a reușit să surprindă modificări structurale minuscule ale moleculelor în stare solidă în timp real.

Directorul Ihee al Centrului pentru dinamica reacțiilor moleculare avansate a spus , „Deoarece progresele tehnice și metodele analitice propuse în acest studiu pot fi utilizate pe scară largă pentru a observa multe alte reacții în fază cristalină ale diferitelor sisteme moleculare, această cercetare nu numai că deschide noi orizonturi în domeniul cercetării structurii moleculare, dar are și aplicații nesfârșite în viitor. descoperiri științifice."

(Fluierul)