Ultrasnelle röntgenstudie onthult dat solvatie elektronische herschikking in pyrazine onderdrukt

Een internationaal onderzoeksteam uit Zwitserland, Denemarken, Duitsland, Kroatië, Noorwegen, Spanje en Japan heeft een aanzienlijke doorbraak gebracht in het begrijpen van ultrasnelle elektronische dynamiek, wat de diepgaande impact van waterige solvatie op elektronische herschikkingsprocessen in pyrazine onthult.

Met behulp van geavanceerde röntgenspectroscopie merkte het team op dat elektronische ontspanning via conische kruispunten, een fundamentele route in Molecular Dynamics met opgewonden-staten, volledig wordt onderdrukt in een waterige oplossing, defaserend binnen een verbazingwekkend kort tijdschema van minder dan 40 femtoseconden (FS), een FS is de miljoene van een miljard van een miljard van een seconde.

Details van hun bevindingen waren gepubliceerd in Natuurfysica.

“Door gebruik te maken van stikstof-k-edge voorbijgaande absorptiespectroscopie, konden we direct oscillerende elektronische populatiestroom in gasfase pyrazine vastleggen-het oplossen van een langdurige controverse in het veld,” zei Zhong Yin, een universitair hoofddocent aan de Universiteit van Hoku en een co-first en overeenkomstige auteur van de studie.

“Onze bevindingen tonen aan dat hoewel gasfase-pyrazine een cyclische elektronische herschikking vertoont, dit proces snel in water wordt gefaseerd, wat aangeeft dat solvatie een cruciale rol speelt in elektronische beweging op de femtoseconde Tijdschaal.”

De onderzoekers gebruikten tijdopgeloste röntgenabsorptiespectroscopie (TR-XAS) bij zowel de koolstof- als stikstof-K-randen om de dynamiek van de geëxciteerde toestand te volgen met elementspecifieke resolutie. De studie vergeleek gasfase pyrazine met een waterige oplossing van 5 m, wat grimmige contrasten onthulde in hun ultrasnelle gedrag:

In de gasfase observeerde het team een ​​duidelijke cyclische elektronische populatieoverdracht bij de stikstof-k-edge, waar tijdelijke banden oscilleerden in spectrale intensiteit binnen de eerste 150 FS met een periode van ongeveer 80 fs.

“Het was niet alleen opwindend dat we in staat waren om een ​​rijke dynamiek te observeren in de stikstof-k-edge in gasfase, maar ook het feit dat onze theorie-medewerkers in staat waren om een ​​verband te leggen tussen de geëxciteerde staatspopulatie-dynamiek en een cirkelvormige herschikking van de elektronische structuur rond de conische kruising,” zei Yi-Ping Chang, die de ph.d. was. Student en co-eerste-auteur van het werk.

In de waterige fase werd deze coherente elektronische beweging volledig onderdrukt. Er werden geen kwantumbeats waargenomen in belangrijke spectrale gebieden van de stikstof-k-edge, wat het snelle verlies van elektronische coherentie in water benadrukt.

Dit onderzoek bevestigt dat conische kruispunten waarneembare elektronische dynamiek genereren, maar onderstreept ook hoe waterige solvatie deze processen snel verstoort.

De resultaten hebben brede implicaties voor attoseconde spectroscopie, kwantumbiologie en attochemie, waarbij interacties van oplosmiddelen moeten worden verantwoord bij het modelleren van gedrag van opgewonden toestand.

“Onze studie biedt een cruciale stap om te begrijpen hoe elektronische dynamiek evolueert in realistische omgevingen, zoals biologische systemen en chemie van oplossingen,” voegde Yin toe.

“De onderdrukking van cyclische elektronische herschikking in water daagt conventionele modellen uit en maakt de weg vrij voor verder onderzoek naar door oplosmiddel geïnduceerde elektronische decoherentie.”