Gli scienziati catturano reazioni chimiche sfuggenti utilizzando X

Le reazioni chimiche spesso comportano passaggi intermedi che sono troppo rapidi e complessi per essere visti, anche utilizzando i nostri strumenti scientifici più avanzati. È stato ora dimostrato che la combinazione di due tecniche di spettroscopia a raggi X può cambiare la situazione.

Di David Krause

I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory hanno catturato per la prima volta uno dei movimenti più veloci di una molecola chiamata ferricianuro combinando due tecniche di spettroscopia a raggi X ultraveloci. Pensano che il loro approccio potrebbe aiutare a mappare reazioni chimiche più complesse come il trasporto di ossigeno nelle cellule del sangue o la produzione di idrogeno utilizzando la fotosintesi artificiale.

Il gruppo di ricerca di SLAC, Stanford e altre istituzioni ha iniziato con quella che oggi è una tecnica abbastanza standard: hanno distrutto una miscela di ferricianuro e acqua con un laser ultravioletto e raggi X luminosi generati dalla sorgente di raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS). laser a elettroni liberi. La luce ultravioletta ha portato la molecola in uno stato eccitato mentre i raggi X hanno sondato gli atomi del campione, rivelando le caratteristiche della struttura e del movimento atomico ed elettronico del ferricianuro.

Ciò che è stato diverso questa volta è il modo in cui i ricercatori hanno estratto le informazioni dai dati dei raggi X. Invece di studiare solo una regione spettroscopica, nota come linea di emissione principale Kβ, il team ha catturato e analizzato una seconda regione di emissione, chiamata valenza-core, che è stata significativamente più difficile da misurare su scale temporali ultraveloci. La combinazione delle informazioni provenienti da entrambe le regioni ha consentito al team di ottenere un quadro dettagliato della molecola di ferricianuro mentre si evolveva in uno stato di transizione chiave.

Il team ha dimostrato che il ferricianuro entra in uno stato intermedio eccitato per circa 0,3 picosecondi – o meno di un trilionesimo di secondo – dopo essere stato colpito da un laser UV. Le letture della valenza-nucleo hanno poi rivelato che, dopo questo periodo eccitato e di breve durata, il ferricianuro perde uno dei suoi "bracci" di cianuro molecolare, chiamato ligando. Il ferricianuro quindi riempie questa giunzione mancante con lo stesso ligando a base di carbonio o, meno probabilmente, con una molecola d'acqua.

"Questo scambio di ligandi è una reazione chimica di base che si pensava avvenisse nel ferricianuro, ma non c'erano prove sperimentali dirette dei singoli passaggi di questo processo", ha detto Marco Reinhard, scienziato dello SLAC e primo autore. "Con il solo approccio dell'analisi della linea di emissione principale del Kβ, non saremmo davvero in grado di vedere come appare la molecola quando passa da uno stato a quello successivo; otterremmo solo un quadro chiaro dell'inizio del processo ."

"Vuoi essere in grado di replicare ciò che fa la natura per migliorare la tecnologia e aumentare la nostra conoscenza scientifica fondamentale", ha affermato lo scienziato senior dello SLAC Dimosthenis Sokaras. "E per replicare al meglio i processi naturali, è necessario conoscere tutti i passaggi, da quelli più ovvi a quelli che accadono nell'oscurità, per così dire."

In futuro, il gruppo di ricerca vuole studiare molecole più complesse, come le emeproteine, che trasportano e immagazzinano ossigeno nei globuli rossi, ma che possono essere difficili da studiare perché gli scienziati non comprendono tutte le fasi intermedie delle loro reazioni, ha detto Sokaras. .

Il gruppo di ricerca ha perfezionato la propria tecnica di spettroscopia a raggi X presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) e LCLS di SLAC nel corso di molti anni, quindi ha combinato tutta questa esperienza presso lo strumento XCS (X-ray Correlation Spectroscopy) di LCLS per catturare i cambiamenti strutturali molecolari del ferricianuro . Il team ha pubblicato i risultati oggi su Nature Communications.

"Abbiamo sfruttato sia SSRL che LCLS per completare l'esperimento. Non avremmo potuto completare lo sviluppo del nostro metodo senza l'accesso a entrambe le strutture e senza la nostra collaborazione di lunga data insieme", ha affermato Roberto Alonso-Mori, scienziato capo dello SLAC. "Per anni abbiamo sviluppato questi metodi con queste due fonti di raggi X e ora prevediamo di usarli per scoprire segreti delle reazioni chimiche precedentemente inaccessibili."

Questo progetto è stato sostenuto in parte dall'Ufficio della scienza, Scienze energetiche di base del DOE. LCLS e SSRL sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science. Il sostegno è stato fornito anche dal Programma di biologia molecolare strutturale della SSRL, sostenuto dall'Ufficio del DOE per la ricerca biologica e ambientale e dal National Institutes of Health, Istituto nazionale di scienze mediche generali.