在生物化学和光电子过程中重要的瞬态反应中的短暂电子运动已被捕获，并且首次使用能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的超快X射线光谱直接表征。

像分子结构的许多重排一样，本研究中的开环反应发生在数百飞秒的时间尺度上(1飞秒等于十亿分之一秒的百万分之一)。通过在桌面设备上使用飞秒脉冲的X射线光，研究人员能够在反应期间收集电子结构的快照。

伯克利实验室化学科学部教授科学家，加州大学伯克利分校教授，研究主要研究员Stephen Leone说：“在过去几十年中，分子和材料的大部分工作都集中在静态或不变系统的X射线光谱研究上。”化学与物理。“直到最近，人们才开始推动时域，并在飞秒的时间尺度上用X射线光谱技术寻找瞬态。”

研究人员专注于一种称为1,3环己二烯(CHD)的分子被光触发时发生的结构重排，导致更高能量的电子重排，称为激发态。在这种激发态下，环中六个碳原子的环状分子开放成线性六碳链分子。开环由原子核运动与新的动态电子配置之间极快的能量交换驱动。

这种环状分子的光活化开环反应是一种普遍存在的化学过程，是皮肤中光生物合成维生素D的关键步骤，也是光学转换，光学数据存储和光致变色器件中光电子技术的关键步骤。

为了表征冠心病开环反应过程中的电子结构，研究人员利用X射线光的独特功能作为化学分析的有力工具。在他们的实验中，研究人员使用紫外泵脉冲来触发反应，然后使用X射线闪光以可控的时间延迟探测反应进程。在紫外线照射后的给定时间延迟，研究人员用称为时间分辨X射线光谱技术测量分子吸收的X射线光的波长(或能量)。

“我们实验的关键是将X射线光谱学的强大优势与飞秒时间分辨率相结合，飞秒时间分辨率最近才能在这些光子能量下实现，”研究的主要作者，加州大学伯克利分校的博士Andrew Attar说。化学学生。“我们使用一种新型仪器制作CHD分子中电子的X射线光谱'电影'，当它从一个环打开到一个线性配置。我们的'电影'的光谱静止帧编码分子的指纹和在给定时间的电子结构。“

为了明确地解码实验观察到的光谱指纹，伯克利实验室的分子铸造厂和美国能源部SLAC国家加速器实验室的材料和能量光谱理论研究所(TIMES)的研究人员进行了一系列理论模拟。该模拟模拟了开环过程以及X射线在分子转化过程中与分子的相互作用。

“动态X射线光谱特征的丰富性和复杂性，例如本研究中捕获的特征，需要与理论模拟密切协同，可以直接模拟和解释实验观察到的数量，”伯克利实验室化学科学项目科学家Das Pemmaraju说。 SLAC的TIMES部门和副研究员科学家。

在实验室台面尺度上使用飞秒X射线脉冲是本研究中出现的关键技术里程碑之一。

“我们已经使用了一种桌面，基于激光的光源，其X射线脉冲的能量迄今仅限于大型设施，”Attar说。

X射线脉冲使用称为高次谐波产生的过程产生，其中商用飞秒激光的红外频率聚焦到充满氦气的气室中，并且通过与氦原子的非线性相互作用被上转换。到X射线频率。红外频率乘以约300倍。

研究人员现在正在利用该仪器研究无数光活化化学反应，特别关注与燃烧相关的反应。

“这些研究有望扩大我们对分子和电子结构耦合演化的理解，这是化学的核心，”Attar说。