Röntgenlaser ger ögonblicksbilder av fotoinducerad process

En ny studie i Nature visar hur ett metallkomplex aktiveras som katalysator genom absorption av ljus. Fotoaktiveringen har studerats med hjälp av en röntgenlaser som avbildar elektronstrukturen under reaktionen. Resultaten kan bidra till utvecklingen av kemisk lagring av solenergi.

Det fotoaktiverade järnpentakarbonylkomplexet avger av en karbonylgrupp och kan sedan bilda till lösningsmedlet   Copyright:  SLAC National Accelerator Laboratory
Det fotoaktiverade järnpentakarbonylkomplexet avger av en karbonylgrupp och kan sedan bilda till lösningsmedlet
Copyright: SLAC National Accelerator Laboratory

Resultaten från studien är ett viktigt steg i förståelsen av ultrasnabb molekyldynamik i lösning och kan bidra till förståelsen av mekanismer i fotokatalys och i solceller. Med röntgenspektroskopi och kvantkemiska beräkningar har man kunnat följa reaktionen och omlagringen av kemiska bindningar.

– ”Förändringarna i elektronernas energinivåer när kemiska reaktioner äger rum kan förutsägas med datorberäkningar och matchas mot det vi ser i experimentet”, säger Ida Josefsson som är doktorand i vid Fysikum, Stockholms universitet.

Alla växter lagrar solenergi i form av kolväten med hjälp av ett metallkomplex. Lagring av solenergi i kemiska bindningar är en attraktiv lösning av samhällets energibehov. För att utveckla den, behöver vi förstå precis vad som händer när en molekyl träffas av en foton. De primära processerna sker på en tidsskala av femtosekunder. (1 femtosekund = 10-15s = en biljarddels sekund.) I studien har man kunnat följa förändringar i de kemiska bindningarna med en tidsupplösning på 100 femtosekunder.

Med röntgenljus kan förändringarna i elektronstrukturen hos metallkomplexet undersökas under den fotoaktiverade reaktionen.  Copyright: Th. Splettstoesser / HZB
Med röntgenljus kan förändringarna i elektronstrukturen hos metallkomplexet undersökas under den fotoaktiverade reaktionen.
Copyright: Th. Splettstoesser / HZB
I experimenten har man i detalj observerat hur järnpentakarbonyl, ett metallkomplex som används som katalysator för lagring av solenergi, kan aktiveras när det absorberar ljus och hur det påverkas av det omgivande lösningsmedlet. Med hjälp av teoretiska beräkningar kunde de produkter som bildades under experimentet identifieras.Forskning i kvantkemi har en mycket lång tradition i Sverige och forskare vid Fysikum har bidragit starkt till utvecklandet särskilt av denna typ av tillämpad kvantmekanik.

– ”Med beräkningarna kan vi simulera röntgenspektra för de fotoaktiverade metallkomplexen och även studera när kemiska bindningar bryts och bildas. Det gör att vi kan detaljstudera fotokemiska processer och i förlängningen bidra till att bättre utnyttja solenergin.” säger Michael Odelius på avdelningen för kemisk fysik vid Fysikum.

Ett års förberedelser, sextio timmars experiment, och fyra års analys och utvärdering. En förutsättning för projektet har varit kombinationen av unik expertis från olika forskargrupper. Tjugoen forskare från elva forskningsinstitutioner medverkade i forskningsprojektet.

I det tidsupplösta experimentet vid LCLS (Linac Coherent Light Source) vid SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornienkunde man följa fotoreaktionen genom att initiera processen med en kort laserpuls av synligt/ultraviolett ljus och sedan vid bestämda tidpunkter sondera elektronstrukturen och molekyldynamiken med en röntgenpuls. Experimentet konstruerades av Kristjan Kunnus och Philippe Wernet tillsammans med gruppen vid Helmholz Zentrum Berlin (HZB) under ledning av Alexander Föhlisch vid HZB och Potsdam University som bidrog med unik expertis i tidsupplöst röntgenspridning. Simone Techert och hennes grupp, då vid Max Planck Institutet för biofysikalisk kemi i Göttingen (nu vid DESY), möjliggjorde studier med en vätskestråle. Efter karaktärisering vid BESSY II skeppades hela uppställningen till röntgenfrielektronlasern LCLS vid SLAC National Accelerator Laboratory i USA.

Växelspelet mellan experiment och teori var avgörande i studien. I analysen av experimentet var särskilt det täta samarbetet mellan Ida Josefsson, som disputerar till hösten, och Kristjan Kunnus, då forskarstuderande vid HZB nu verksam i Stanford, essentiellt för att nå en tillförlitlig tolkning och detaljerad förståelse. Röntgenspektroskopi är ett kraftfullt redskap men endast mot bakgrund av simuleringarna kunde experimenten tolkas i termer av   kemisk växelverkan.

– Ida Josefson och Michael Odelius

Artikeln Orbital-specific mapping of the ligand exchange dynamics of Fe(CO)5 in solution i Nature av Ph. Wernet, K. Kunnus, I. Josefsson, I. Rajkovic, W. Quevedo, M. Beye, S. Schreck, S. Grübel, M. Scholz, D. Nordlund, W. Zhang, R. W. Hartsock, W. F. Schlotter, J. J. Turner, B. Kennedy, F. Hennies, F. M. F. de Groot, K. J. Gaffney, S. Techert, M. Odelius, A. Föhlisch.finns att ladda ner som pdf på http://dx.doi.org/10.1038/nature14296.

För ytterligare information kontakta Michael Odelius, Kemisk fysik, Fysikum, AlbaNova universitetscentrum, Stockholms universitet, http://www.fysik.su.se/~odelius, Tfn 073-3996260, 08-55378713, E-post odelius@fysik.su.se

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *