Scientists for the first time track

Scientists for the first time tracked ultrafast structural changes, captured in quadrillionths-of-a-second steps, as ring-shaped gas molecules burst open and unraveled. Ring-shaped molecules are abundant in biochemistry and also form the basis for many drug compounds. The study points the way to a wide range of real-time X-ray studies of gas-based chemical reactions that are vital to biological processes.

Researchers working at the Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory compiled the full sequence of steps in this basic ring-opening reaction into computerized animations that provide a "molecular movie" of the structural changes.

Conducted at SLAC's Linac Coherent Light Source, a DOE Office of Science User Facility, the pioneering study marks an important milestone in precisely tracking how gas-phase molecules transform during chemical reactions on the scale of femtoseconds. A femtosecond is a millionth of a billionth of a second.

"This fulfills a promise of LCLS: Before your eyes, a chemical reaction is occurring that has never been seen before in this way," said Mike Minitti, a SLAC scientist who led the experiment in collaboration with Peter Weber at Brown University. The results are featured in the June 22 edition of Physical Review Letters.

"LCLS is a game-changer in giving us the ability to probe this and other reactions in record-fast timescales," Minitti said, "down to the motion of individual atoms." The same method can be used to study more complex molecules and chemistry.

he free-floating molecules in a gas, when studied with the uniquely bright X-rays at LCLS, can provide a very clear view of structural changes because gas molecules are less likely to be tangled up with one another or otherwise obstructed, he added. "Until now, learning anything meaningful about such rapid molecular changes in a gas using other X-ray sources was very limited, at best."

New Views of Chemistry in Action

The study focused on the gas form of 1,3-cyclohexadiene (CHD), a small, ring-shaped organic molecule derived from pine oil. Ring-shaped molecules play key roles in many biological and chemical processes that are driven by the formation and breaking of chemical bonds. The experiment tracked how the ringed molecule unfurls after a bond between two of its atoms is broken, transforming into a nearly linear molecule called hexatriene.

"There had been a long-standing question of how this molecule actually opens up," Minitti said. "The atoms can take different paths and directions. Tracking this ultimately shows how chemical reactions are truly progressing, and will likely lead to improvements in theories and models."

The Making of a Molecular Movie

In the experiment, researchers excited CHD vapor with ultrafast ultraviolet laser pulses to begin the ring-opening reaction. Then they fired LCLS X-ray laser pulses at different time intervals to measure how the molecules changed their shape.

Researchers compiled and sorted over 100,000 strobe-like measurements of scattered X-rays. Then, they matched these measurements to computer simulations that show the most likely ways the molecule unravels in the first 200 quadrillionths of a second after it opens. The simulations, performed by team member Adam Kirrander at the University of Edinburgh, show the changing motion and position of its atoms.

Each interval in the animations represents 25 quadrillionths of a second ­-- about 1.3 trillion times faster than the typical 30-frames-per-second rate used to display TV shows.

"It is a remarkable achievement to watch molecular motions with such incredible time resolution," Weber said.

A gas sample was considered ideal for this study because interference from any neighboring CHD molecules would be minimized, making it easier to identify and track the transformation of individual molecules. The LCLS X-ray pulses were like cue balls in a game of billiards, scattering off the electrons of the molecules and onto a position-sensitive detector that projected the locations of the atoms within the molecules.

A Successful Test Case for More Complex Studies

"This study can serve as a benchmark and springboard for larger molecules that can help us explore and understand even more complex and important chemistry," Minitti said.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

ครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ติดตามการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง ultrafast, quadrillionths-ของ-a-2 ขั้นตอน เป็นรูปวงแหวนก๊าซโมเลกุลระเบิดเปิด และ unraveled แหวนรูปโมเลกุลมีชุกชุมในชีวเคมี และยัง เป็นพื้นฐานสำหรับสารยาเสพติดจำนวนมาก การศึกษาชี้วิธีการหลากหลายของศึกษาเอกซเรย์แบบเรียลไทม์ใช้ก๊าซจากปฏิกิริยาทางเคมีที่มีความสำคัญต่อกระบวนการทางชีวภาพนักวิจัยที่ทำงานที่ SLAC กรมพลังงานแห่งชาติเร่งปฏิบัติรวบรวมลำดับเต็มขั้นตอนในปฏิกิริยาการเปิดวงแหวนนี้พื้นฐานเป็นภาพเคลื่อนไหวคอมพิวเตอร์ที่ให้ "ภาพยนตร์โมเลกุล" เปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางของ SLAC Linac Coherent แหล่งกำเนิดแสง การป้องกัน Office ของวิทยาศาสตร์ผู้ใช้สิ่งอำนวยความสะดวก การศึกษานี่เครื่องสำคัญสำคัญอย่างแม่นยำติดตามว่าโมเลกุลแก๊สเฟสแปลงระหว่างปฏิกิริยาทางเคมีในระดับของ femtoseconds Femtosecond การชี้ของ billionth ของที่สองได้"นี้ตามสัญญา LCLS: ก่อนตา ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นที่มีไม่เคยได้เห็นมาก่อนด้วยวิธีนี้, " ไมค์ Minitti นักวิทยาศาสตร์ SLAC ผู้ทดลองร่วมกับปีเตอร์แบ่งแยกมหาวิทยาลัยบราวน์ กล่าวว่า ผลลัพธ์เป็นที่โดดเด่นในทางกายภาพตรวจทานอักษรรุ่น 22 มิถุนายน"LCLS เปลี่ยนแผ่น เกมนดีสามารถหยั่งนี้และปฏิกิริยาอื่น ๆ ในคอร์ดเร็ว timescales, " Minitti กล่าวว่า "เพื่อการเคลื่อนไหวของอะตอมแต่ละตัว" สามารถใช้วิธีการเดียวกันการศึกษาโมเลกุลซับซ้อนและเคมีเขาโมเลกุล free-floating ในก๊าซ เมื่อศึกษากับรังสีเอกซ์ที่สดใสโดยเฉพาะใน LCLS สามารถให้มุมมองที่ชัดเจนมากของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเนื่องจากโมเลกุลแก๊สจะ tangled ขึ้นพร้อมกัน หรืออื่น ๆ กีดขวาง เขาเพิ่ม "จนถึงปัจจุบัน เรียนอะไรมีความหมายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงโมเลกุลดังกล่าวอย่างรวดเร็วในก๊าซที่ใช้เอกซเรย์แหล่งอื่น ๆ กลัวมาก ดีที่สุด"มุมมองใหม่ของเคมีในการดำเนินการการศึกษาเน้นแบบแก๊สของ 1,3-cyclohexadiene (เด็ฏ), เล็ก แหวนรูปโมเลกุลอินทรีย์ได้มาจากน้ำมันสน แหวนรูปโมเลกุลมีบทบาทสำคัญในหลายทางชีวภาพ และทางเคมีกระบวนการที่จะขับเคลื่อน โดยกำเนิดและแบ่งของเคมีพันธบัตร ทดลองติดตามว่าโมเลกุล ringed unfurls หลังจากพันธะระหว่างสองอะตอมที่แตก เปลี่ยนโมเลกุลเกือบเส้นที่เรียกว่า hexatriene"เคยมีคำถามที่ยาวนานของวิธีโมเลกุลนี้จริงเปิดขึ้น, " Minitti กล่าวว่า "อะตอมสามารถใช้เส้นทางที่แตกต่างกันและทิศทาง ติดตามนี้สุดแสดงปฏิกิริยาเคมีว่ามีความก้าวหน้าอย่างแท้จริง และได้นำไปปรับปรุงในทฤษฎีและแบบจำลอง"การทำภาพยนตร์โมเลกุลในการทดลอง นักวิจัยตื่นเต้นไอเด็ฏกับพัลส์เลเซอร์รังสีอัลตราไวโอเลต ultrafast เริ่มต้นปฏิกิริยาการเปิดวงแหวน แล้ว พวกเขายิงพัลส์เลเซอร์เอ็กซ์เรย์ LCLS ที่ช่วงเวลาต่าง ๆ เพื่อวัดว่าโมเลกุลเปลี่ยนแปลงรูปร่างของพวกเขาResearchers compiled and sorted over 100,000 strobe-like measurements of scattered X-rays. Then, they matched these measurements to computer simulations that show the most likely ways the molecule unravels in the first 200 quadrillionths of a second after it opens. The simulations, performed by team member Adam Kirrander at the University of Edinburgh, show the changing motion and position of its atoms.Each interval in the animations represents 25 quadrillionths of a second ­-- about 1.3 trillion times faster than the typical 30-frames-per-second rate used to display TV shows."It is a remarkable achievement to watch molecular motions with such incredible time resolution," Weber said.A gas sample was considered ideal for this study because interference from any neighboring CHD molecules would be minimized, making it easier to identify and track the transformation of individual molecules. The LCLS X-ray pulses were like cue balls in a game of billiards, scattering off the electrons of the molecules and onto a position-sensitive detector that projected the locations of the atoms within the molecules.A Successful Test Case for More Complex Studies"This study can serve as a benchmark and springboard for larger molecules that can help us explore and understand even more complex and important chemistry," Minitti said.

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

นักวิทยาศาสตร์เป็นครั้งแรกการติดตามการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเร็วมาก, บันทึกในขั้นตอน quadrillionths ของสองเป็นแหวนรูปโมเลกุลของแก๊สออกมาเปิดและหลุด โมเลกุลแหวนรูปมีมากมายในชีวเคมีและรูปแบบพื้นฐานสำหรับสารยาเสพติดจำนวนมาก ผลการศึกษาชี้ให้วิธีการที่หลากหลายของเรียลไทม์การศึกษา X-ray ของปฏิกิริยาเคมีก๊าซตามที่มีความสำคัญต่อกระบวนการทางชีวภาพ. นักวิจัยที่ทำงานในกรมพลังงาน SLAC แห่งชาติเร่งห้องปฏิบัติการรวบรวมลำดับที่เต็มรูปแบบของขั้นตอนในขั้นพื้นฐาน ปฏิกิริยาแหวนเปิดเข้าไปในภาพเคลื่อนไหวด้วยระบบคอมพิวเตอร์ที่ให้ "ภาพยนตร์โมเลกุล" ของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง. ดำเนินการที่ Linac SLAC ของแหล่งกำเนิดแสงเชื่อมโยงกัน, สำนักงาน DOE วิทยาศาสตร์สิ่งอำนวยความสะดวกผู้ใช้การศึกษาเป็นผู้บุกเบิกเครื่องหมายก้าวสำคัญในการได้อย่างแม่นยำติดตามวิธีการที่โมเลกุลของแก๊สเฟส ในระหว่างการเปลี่ยนปฏิกิริยาเคมีโย femtoseconds . femtosecond เป็นล้านของพันล้านที่สอง"นี้ตอบสนองสัญญาของ LCLS: ก่อนที่ตาของคุณปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้นที่ไม่เคยเห็นมาก่อนในลักษณะนี้" ไมค์ Minitti นักวิทยาศาสตร์ SLAC ที่นำกล่าวว่า การทดลองในการทำงานร่วมกับปีเตอร์เวเบอร์ที่มหาวิทยาลัยบราวน์ ผลที่จะได้ให้ความสำคัญใน 22 มิถุนายนฉบับกายภาพทบทวนตัวอักษร. "LCLS เป็น changer เกมในการให้เราสามารถที่จะตรวจสอบและปฏิกิริยานี้ในระยะเวลาบันทึกได้อย่างรวดเร็ว" Minitti กล่าวว่า "ลงไปที่การเคลื่อนไหวของอะตอมของแต่ละบุคคล . " วิธีการเดียวกันสามารถนำมาใช้ในการศึกษาโมเลกุลที่ซับซ้อนมากขึ้นและเคมี. เขาโมเลกุลฟรีที่ลอยอยู่ในก๊าซเมื่อศึกษากับสดใสไม่ซ้ำกันรังสีเอกซ์ที่ LCLS สามารถให้มุมมองที่ชัดเจนของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลของแก๊สเพราะมีโอกาสน้อย ที่จะพันกันขึ้นกับคนอื่นหรืออุปสรรคอื่นเขาเพิ่ม "จนถึงขณะนี้การเรียนรู้ที่มีความหมายอะไรที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงโมเลกุลดังกล่าวอย่างรวดเร็วในการใช้แหล่งก๊าซเอ็กซ์เรย์อื่น ๆ ที่ จำกัด มากที่ดีที่สุด." มุมมองใหม่ของเคมีในการดำเนินการศึกษามุ่งเน้นไปที่รูปแบบของก๊าซ 1,3-cyclohexadiene (CHD ) ที่มีขนาดเล็กโมเลกุลอินทรีย์แหวนรูปที่ได้มาจากน้ำมันสน โมเลกุลแหวนรูปมีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางชีวภาพและสารเคมีจำนวนมากที่จะขับเคลื่อนด้วยการสร้างและทำลายพันธะเคมี ทดลองวิธีการติดตามโมเลกุลวงแหวน unfurls หลังจากที่ความสัมพันธ์ระหว่างสองของอะตอมของเสียเปลี่ยนเป็นโมเลกุลเชิงเส้นที่เรียกว่าเกือบ hexatriene. "มีได้รับคำถามที่ยาวนานของโมเลกุลวิธีนี้จริงเปิดขึ้น" Minitti กล่าวว่า "อะตอมสามารถใช้เส้นทางที่แตกต่างกันและทิศทาง. ติดตามท้ายที่สุดนี้แสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาทางเคมีมีความคืบหน้าอย่างแท้จริงและมีแนวโน้มที่จะนำไปสู่การปรับปรุงในทฤษฎีและรูปแบบ." การสร้างภาพยนตร์ระดับโมเลกุลในการทดลองนักวิจัยรู้สึกตื่นเต้นกับไอ CHD อัลตราไวโอเลตเร็วมาก เลเซอร์พัลส์ที่จะเริ่มต้นปฏิกิริยาแหวนเปิด แล้วพวกเขาก็ยิง LCLS เอ็กซ์เรย์เลเซอร์พัลส์ในช่วงเวลาที่แตกต่างกันเพื่อวัดว่าโมเลกุลเปลี่ยนแปลงรูปร่างของพวกเขา. นักวิจัยรวบรวมและจัดเรียงมากกว่า 100,000 วัดแฟลชเหมือนของกระจัดกระจายรังสีเอกซ์ จากนั้นพวกเขาจับคู่วัดเหล่านี้จะจำลองคอมพิวเตอร์ที่แสดงให้เห็นวิธีการที่มีแนวโน้มมากที่สุดโมเลกุล unravels ในครั้งแรก 200 quadrillionths วินาทีหลังจากที่มันเปิด การจำลองการดำเนินการโดยสมาชิกในทีมอดัม Kirrander ที่มหาวิทยาลัยเอดินเบิร์กแสดงการเคลื่อนไหวเปลี่ยนแปลงและตำแหน่งของอะตอม. ช่วงเวลาในการเคลื่อนไหวแต่ละ quadrillionths 25 วินาที - ประมาณ 1300000000000 ครั้งเร็วกว่าปกติ 30 เฟรม อัตราต่อวินาทีใช้เพื่อแสดงรายการโทรทัศน์. "มันเป็นความสำเร็จที่น่าทึ่งในการดูการเคลื่อนไหวของโมเลกุลที่มีความละเอียดเช่นเวลาที่น่าทึ่ง" เวเบอร์กล่าว. ตัวอย่างก๊าซได้รับการพิจารณาที่เหมาะสำหรับการศึกษาครั้งนี้เพราะการแทรกแซงจากโมเลกุลใด ๆ ที่อยู่ใกล้เคียงจะได้รับโรคหลอดเลือดหัวใจลดลง ทำให้ง่ายต่อการระบุและติดตามการเปลี่ยนแปลงของแต่ละโมเลกุล LCLS พัลส์เอ็กซ์เรย์เป็นเหมือนลูกคิวในเกมบิลเลียดกระจายออกอิเล็กตรอนของโมเลกุลและบนเครื่องตรวจจับตำแหน่งที่สำคัญที่คาดว่าสถานที่ของอะตอมภายในโมเลกุล. กรณีที่ประสบความสำเร็จในการทดสอบการศึกษาซับซ้อน" การศึกษาครั้งนี้สามารถทำหน้าที่เป็นมาตรฐานและกระโดดโมเลกุลขนาดใหญ่ที่สามารถช่วยให้เราสำรวจและเข้าใจมากยิ่งซับซ้อนมากขึ้นและทางเคมีที่สำคัญ "Minitti กล่าวว่า

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

นักวิทยาศาสตร์ครั้งแรกติดตามการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างมากบันทึกในขั้นตอน quadrillionths-of-a-second เป็น ring-shaped ก๊าซโมเลกุลระเบิดเปิดและใช้ได้ . แหวนรูปร่างโมเลกุลมีชุกชุมในชีวเคมีและยังเป็นพื้นฐานสำหรับสารประกอบยามากมายจุดวิธีเพื่อที่หลากหลายของเรียลไทม์รังสีเอ็กซ์การศึกษาก๊าซจากปฏิกิริยาเคมีที่สำคัญต่อกระบวนการทางชีวภาพ การศึกษา .

นักวิจัยปฏิบัติงานที่ภาควิชาซแลคห้องปฏิบัติการแห่งชาติเร่งพลังงานรวบรวมเต็มรูปแบบของขั้นตอนพื้นฐานนี้ปฏิกิริยาการเปิดวงแหวนเป็นภาพเคลื่อนไหวด้วยคอมพิวเตอร์ที่ให้ " โมเลกุลหนัง " ของการเปลี่ยนแปลง

ของโครงสร้างดำเนินการในซแลคของไลแนคติดต่อกันแหล่งกำเนิดแสง , โดสำนักงานสถานที่ผู้ใช้วิทยาศาสตร์การศึกษา ( เครื่องหมายก้าวสำคัญในโมเลกุลของแก๊สได้อย่างแม่นยำวิธีการติดตามการแปลงระหว่างปฏิกิริยาทางเคมีในระดับของ femtoseconds . แบบ femtosecond คือ millionth ในพันล้านของวินาที

" นี้เติมเต็มสัญญาของ lcls : ก่อนที่ตาของคุณปฏิกิริยาทางเคมีเกิดขึ้น ที่ไม่เคยมีมาก่อนในวิธีนี้ " ไมค์กล่าวว่า minitti , ซแลคนักวิทยาศาสตร์ที่นำการทดลองร่วมกับ ปีเตอร์ เว็บเบอร์ ที่มหาวิทยาลัย บราวน์ ผลลัพธ์จะแสดงในวันที่ 22 ฉบับจดหมายตรวจสอบทางกายภาพ .

" lcls เป็น changer เกมในให้ความสามารถในการตรวจสอบและปฏิกิริยาอื่น ๆในการบันทึกอย่างรวดเร็ว timescales " minitti กล่าว" ลงการเคลื่อนไหวของอะตอมแต่ละ " วิธีการเดียวกันสามารถใช้ในการศึกษาโมเลกุลที่ซับซ้อนมากขึ้นและเคมี

เขาฟรีลอยโมเลกุลในก๊าซ เมื่อศึกษาด้วยจ้าา lcls รังสีเอกซ์ที่สามารถให้มุมมองที่ชัดเจนของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลของก๊าซ เพราะมีโอกาสน้อยที่จะโต้เถียงด้วย อีกแบบหนึ่ง หรือมิฉะนั้น ขัดขวาง เขาเพิ่ม " จนถึงตอนนี้การเรียนรู้อย่างมีความหมายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงโมเลกุล เช่น แก๊สที่ใช้รังสีเอกซ์อย่างรวดเร็วในแหล่งอื่น ๆถูก จำกัด มาก ในที่สุด "

ใหม่มุมมองของเคมีในการกระทํา

โดยศึกษารูปแบบของ 1,3-cyclohexadiene แก๊ส ( CHD ) ขนาดเล็ก ring-shaped โมเลกุลอินทรีย์ที่ได้มาจากน้ำมันสนแหวนรูปโมเลกุล มีบทบาทในกระบวนการทางชีวภาพและสารเคมีมากมายที่ถูกขับเคลื่อน ด้วยการสร้างและทำลายของพันธะเคมี การทดลองตามวิธีการแห่งพันธะระหว่างโมเลกุลก็หลังจากที่สองของอะตอมเสีย เปลี่ยนเป็นเกือบเชิงโมเลกุลที่เรียกว่า hexatriene

" มีคำถามที่ยืนยาวของโมเลกุลนี้จริง ๆแล้วเปิดขึ้นมา