Katalysatorer underlättar viktiga kemiska reaktioner i både naturen och industrin. I en del av dem utlöses den katalytiska aktiviteten av ljus. När till exempel järnpentakarbonyl – en molekyl där ett järnatom i mitten omges av fem koloxidgrupper – utsätts för ljus, avger järnet sina koloxidgrupper en efter en, vilket skapar platser där andra molekyler kan fästa sig under en katalytisk reaktion.
Även om denna process har studerats ingående med spektroskopi, en metod som visar hur energi rör sig i molekyler, är viktiga detaljer om hur katalysatorns atomer ändrar struktur efter att ha träffats av ljus fortfarande okända.
Nu rapporterar ett team ledt av forskare vid Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory i tidskriften Nature Communications hur de använde ultrasnabba röntgenstrålar från Linac Coherent Light Source (LCLS) i kombination med senaste teoretiska framsteg för att avslöja dessa atomrörelser på en tidsskala av femtosekunder, miljondels miljondels sekunder. Tekniken kan användas för att observera snabba atomrörelser i mer komplexa katalysatorer.
”En del av det roliga är att skapa verktyg som öppnar nya dörrar”, säger Adi Natan, huvudforskare och forskare vid Stanford PULSE Institute, ett gemensamt institut för SLAC och Stanford University. ”Att kunna se hur molekylstrukturer utvecklas med oöverträffad detaljrikedom gör att vi kan lära oss något nytt om molekylernas kemi.”
Få ut mer av röntgenspridningsdata
Vid LCLS riktade teamet röntgenpulser mot sitt järnpentakarbonylprov och analyserade hur röntgenstrålarna spreds i en detektor. Förändringar i det registrerade spridningsmönstret över tid gjorde det möjligt för dem att bestämma hur provets atomstruktur reagerade på de utlösande ljusblixtarna.
Detektorns begränsade storlek och andra experimentella begränsningar begränsar dock mängden information som forskarna kan utvinna från dessa spridningssignaler. Natan säger: ”Att omvandla dessa begränsade spridningsdata till strukturell information i verkliga rummet är som att försöka se fina detaljer genom en spegel i ett skrattkabinett.”
För att övervinna dessa begränsningar tolkar forskarna vanligtvis spridningsdata genom att matcha simuleringar av möjliga molekylstrukturer med data istället för att översätta data direkt till verkliga rummet. Detta innebär också att analysen blir svårare ju svårare det är att simulera en molekylstruktur. Metallcentret i järnpentakarbonyl gör till exempel simuleringar av atomrörelser mycket utmanande.
För att komma runt detta använde Natan en teoretisk metod som han tidigare utvecklat och som relaterar de observerade spridningsmönstren till avstånden mellan alla möjliga atompar i molekylen. Detta gör det möjligt att extrahera strukturen direkt från spridningsdata utan simuleringar.
Atomära ”åskådare” banar väg för mer komplexa analyser
LCLS-studien av järnpentakarbonyl var en av de första experimentella tillämpningarna av denna nya metod, och den gjorde det möjligt för forskarna att följa exakt vad som hände med järnpentakarbonyl när det förlorade två kolmonoxidgrupper efter en ljusblixt.
Först skapade ljuset vibrationer i molekylen som ledde till dissociation av en koloxid och en samtidig omarrangemang av de återstående koloxiderna runt det centrala järnet. Därefter förlorades den andra koloxiddelen med en mindre koordinerad rörelse.
Men forskarteamet observerade också en effekt som de inte hade förväntat sig. Även om de observerade vibrationerna hade sitt ursprung i ett järn-kolpar, uppstod vibrationerna också i många av de andra atomparen, som fungerade som ”åskådare” som förstärkte den ursprungliga rörelsen.
Natan sa att åskådareffekten gör det möjligt att spåra atomrörelser i hela molekylen genom att använda rörelsen hos det ursprungliga atomparet som referens för rörelserna hos andra par. Eftersom effekten inte beror på molekylens komplexitet öppnar den dörren för observation av mycket mer komplexa molekyler än järnpentakarbonyl.
Genom att kombinera strukturresultaten med spektroskopidata får man en mer fullständig bild av hur kemiska reaktioner utvecklas – insikter som i slutändan kan göra det möjligt för forskare att skräddarsy katalysatorers prestanda för olika tillämpningar.
”Att förstå hur energi flödar genom molekyler och hur atomer rör sig i verklig tid och rum för oss ett steg närmare att kunna kontrollera kemiska reaktioner, vilket hjälper oss att designa material”, säger Natan.
Förutom forskare från Stanford PULSE Institute, LCLS och Stanford ingick även medlemmar från DOE:s Pacific Northwest National Laboratory, Brown University, Western Connecticut State University, Stockholms universitet och TCG Centers for Research and Education in Science and Technology i Indien i teamet.
Mer information: Aviad Schori et al, Real-space observation of the dissociation of a transition metal complex and its concurrent energy redistribution, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60009-8
