SLACの研究者は、約0.2ナノメートルの空間分解能と約100フェムト秒の時間分解能で1,3-シクロヘキサジエン分子の破裂を撮影しました。その結果、科学者たちは破裂の瞬間を捉えるだけでなく、1、3、5-ヘキサトリエンの鎖のその後の振動を追跡することもできました。記事はNatureChemistryに掲載され、組織のプレスリリースで簡単に説明されています。作品のプレプリントはarXiv.orgのWebサイトに掲載されています。
日焼けすると、肌は7-デヒドロコレステロール分子をプロビタミンD3に変換し、その後、ビタミンD3に異性化されます。この反応の重要な瞬間は、電子構造の再配列と、光子の吸収後に発生する7-デヒドロコレステロール環の1つの破裂です。化学者はこのプロセスを電気環化と呼んでいます。残念ながら、有機分子の複雑な構造のため、プロビタミンD3の合成を研究することは困難です。したがって、科学者は、光合成の一種のモデルとして機能する別の反応を研究することが多くなっています。これは、1,3-シクロヘキサジエンから1,3,5-ヘキサトリエンへの変換であり、その間に6つの炭素原子の単一の環が壊れます。
過去10年間、化学者は1,3-シクロヘキサジエンの電気環化を積極的に研究し、可視およびX線レーザーで物質を照らし、そのスペクトルを測定してきました。これらの実験により、科学者は電子雲の変形を追跡し、プロセスの期間を推定することができましたが、分子の原子の再配列を見失いました。原則として、このギャップは原子の動きを見る振動分光法の助けを借りて取り除くことができますが、シクロヘキサジエン分子を破壊する浅いポテンシャルの場合、この方法は無力です。 SLAC国立加速器研究所の科学者が透過X線レーザーの回折パターンから分子の形状を再構築する方法を学んだ2015年にのみ、重要な結果が得られました（この作業の詳細はニュースレターで確認できます）。 ）。残念ながら、当時の科学者たちは高い空間分解能を達成できなかったため、リングの開口部を詳細に追跡することはできませんでした。
現在、研究者たちは、X線レーザーを高エネルギー電子のビーム（3.5メガ電子ボルトのオーダーのエネルギー、光速の約0.992倍の速度）に置き換えることで、方法を改善しました。これらの電子の波長は1ピコメートル未満であるため、回折パターンはX線レーザーの場合よりもはるかに細かい詳細をキャプチャし、分子の原子間の距離を再構築することができます。また、サンプルを照射したフラッシュの持続時間は160フェムト秒を超えなかったため、科学者は分子の破裂をリアルタイムで監視することもできました。
その結果、研究者たちは分子の分解を見ただけでなく、いくつかの予期しない影響も発見しました。実験の開始時に、リングが閉じられたとき、スペクトル内で2つのピークしか識別できませんでした。これは、炭素原子間の2つの可能な距離に対応します。水素原子-水素と水素-炭素の間の距離は見えませんでした。その後、科学者たちは紫外線レーザー（波長267ナノメートル）でサンプルを照らし、550フェムト秒待ちました。その後、元のピークは消え、分子間の距離が大きいことに関連する他のピークに置き換えられました。
1,3-シクロヘキサジエンのエネルギーと1,3,5-ヘキサトリエンの異性体
1,3-シクロヘキサジエン（上）と1,3,5-ヘキサトリエン（下）の波動関数密度（左）と運動量空間スペクトル（右）。実験データは赤で強調表示され、理論データは青、青、緑、またはオレンジで強調表示されます（異性体によって異なります）
さらに、最終ピークのセットは固定されておらず、時間の経過とともに変化し続けました。これは、ヘキサトリエン分子の振動に対応し、その間、鎖の曲がりの量が異なる3つの異性体のうちの1つの間を通過します。科学者たちは、実験的および理論的に計算された回折ピークの位置を比較して、各瞬間の分子の形状を再構築し、それらを短い「フィルム」にまとめました。分子が最終的に「落ち着き」、20ピコ秒が経過した後にのみ直鎖に移行したことは興味深いことです。科学者によると、彼らはプロセスがそれほど長くかかるとは思っていませんでした。
1,3-シクロヘキサジエン分子の破壊と1,3,5-ヘキサトリエンの形成された鎖の振動
物理学者は、将来、彼らの方法が、従来の観測では利用できない他の化学反応の研究も可能にすることを望んでいます。研究者は現在、この方法の時間的および空間的分解能を高めており、他の科学者が利用できるように標準化しようとしています。
解像度と速度を向上させる新しい技術により、物理学者は、以前は理論モデルでしか利用できなかったプロセスを直接観察できます。たとえば、2016年12月、科学者はファンデルワールス結合を撮影しました。2017年4月、グラフェン内の電子の動き、2018年10月、原子層の形成を撮影しました。さらに、最新のカメラの助けを借りて、物理学者は光波の動きを直接記録できます。2017年にワシントン大学の研究者は、光の「衝撃波」の円錐の動きのビデオを取得し、2018年に物理学者は米国とカナダからの光のビームの屈折を1秒あたり10兆フレームの速度で撮影しました。
