Spektroskopi Tingkat Lanjut Menangkap Dinamika Molekuler secara Real-Time
Sebuah tim peneliti dari ICFO mengembangkan alat berdasarkan spektroskopi tingkat inti attosecond untuk mempelajari dinamika molekuler secara real-time, dengan fokus pada furan fase gas. Mereka berhasil melacak dinamika pembukaan cincin, dan persimpangan berbentuk kerucut, serta mengamati superposisi kuantum dan keadaan gelap. (Konsep Artis.) Kredit: SciTechDaily
Para peneliti telah mengembangkan metode baru yang menggunakan spektroskopi tingkat inti attodetik untuk menangkap dinamika molekul secara real-time.
Mekanisme di balik reaksi kimia sangatlah kompleks, melibatkan banyak proses dinamis yang mempengaruhi elektron dan inti atom yang terlibat. Seringkali, dinamika elektron dan nuklir yang berpasangan kuat memicu proses relaksasi tanpa radiasi yang dikenal sebagai persimpangan berbentuk kerucut. Dinamika ini mendasari banyak fungsi biologis dan kimia yang signifikan namun sangat sulit dideteksi secara eksperimental.
Tantangan dalam mempelajari dinamika ini bermula dari sulitnya menelusuri gerak nuklir dan elektronik secara bersamaan. Dinamikanya saling terkait dan terjadi pada rentang waktu yang sangat cepat, sehingga menangkap evolusi dinamika molekuler secara real-time menjadi tantangan besar bagi fisikawan dan kimiawan dalam beberapa tahun terakhir.
Kini, tim peneliti dari ICFO telah mengembangkan alat canggih berdasarkan spektroskopi tingkat inti attosecond untuk menyelidiki dinamika molekuler secara real-time, dan berhasil mengatasi tantangan ini.
Tim yang dipimpin oleh ICREA Prof. Jens Biegert, beranggotakan peneliti ICFO Dr. Stefano Severino, Dr. Maurizio Reduzzi, Dr. Adam Summers, Hung-Wei Sun, dan Ying-Hao Chien, serta Dr. Karl Michael Ziems dan Prof. Stefanie Gräfe dari Friedrich-Schiller-Universität Jena, yang memberikan dukungan teoritis. Temuan mereka baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Fotonik Alam.
Ilustrasi artistik yang menggambarkan dinamika pembukaan cincin molekul furan. Kredit: ICFO/ EllaMaru Studio
Studi Furan Fase Gas
Para peneliti membandingkan metode mereka dengan menelusuri evolusi furan fase gas, molekul organik yang terbuat dari karbon, hidrogen, dan satu oksigen yang disusun dalam geometri pentagonal. Struktur sikliknya menghasilkan hal seperti ini jenis nama “cincin” kimia. Pilihannya tidak sembarangan, karena furan adalah sistem prototipikal untuk mempelajari cincin organik heterosiklik, yang merupakan unsur penting dalam berbagai produk sehari-hari seperti bahan bakar, obat-obatan, atau bahan kimia pertanian. Memahami dinamika dan proses relaksasi mereka sangatlah penting.
Ilustrasi skema yang menggambarkan detail keseluruhan dinamika pembukaan cincin furan. Kredit: ICFO
Dinamika Pembukaan Cincin Furan
Tim ini mampu menyelesaikan waktu secara rinci seluruh dinamika pembukaan cincin furan, yaitu fisi ikatan antara satu karbon dan oksigen, yang memutus struktur sikliknya. Untuk melakukannya, mereka harus melacak apa yang disebut persimpangan kerucut (CI), gerbang ultracepat antara berbagai kondisi energi yang dilakukan furan dalam evolusinya menuju pembukaan cincin.
Dalam percobaan mereka, seberkas cahaya (denyut pompa) pertama kali mengeksitasi molekul furan. Kemudian, attodetik dan pulsa yang jauh lebih lemah (probe) digunakan untuk memantau perubahan yang disebabkan oleh pompa dalam sampel. Setelah fotoeksitasi awal, tiga persimpangan berbentuk kerucut yang diharapkan ditemukan tepat waktu dengan menganalisis perubahan spektrum serapan sebagai fungsi penundaan antara pompa dan probe. Kemunculan dan hilangnya fitur serapan, serta perilaku osilasinya, memberikan tanda-tanda perubahan keadaan elektronik furan.
Mereka dapat melihat bahwa perjalanan melalui transisi CI pertama menghasilkan superposisi kuantum antara keadaan elektronik awal dan akhir, yang diwujudkan dalam bentuk detak kuantum. Fenomena ultracepat ini, yang hanya bisa dijelaskan menggunakan teori kuantum, sangat sulit diidentifikasi dalam eksperimen sebelumnya. CI kedua pada prinsipnya bahkan lebih sulit untuk ditangkap, karena keadaan elektronik akhir tidak memancarkan atau menyerap foton (ini adalah keadaan gelap secara optik) sehingga pendeteksiannya melalui metode konvensional sangatlah sulit. Namun demikian, dalam kasus ini, platform mereka melakukan tugas tersebut sebaik sebelumnya.
Setelah itu, pembukaan ring seharusnya dilakukan dan peralatan tim kembali berjaya dalam pendeteksiannya. Peralihan molekul dari geometri cincin tertutup ke geometri cincin terbuka menyiratkan pemutusan simetri yang tercetak dalam spektrum serapan. Alat spektroskopi yang digunakan oleh para peneliti terbukti sangat sensitif terhadap struktur inti, dan pembukaan cincin memanifestasikan dirinya sebagai munculnya puncak serapan baru.
Akhirnya, molekul tersebut berelaksasi ke keadaan dasar (orbital molekul terendah yang tersedia) melalui perpotongan kerucut ketiga, yang transisinya kembali diselesaikan secara akurat oleh waktu.
Keberhasilan Spektroskopi Serapan Tingkat Inti Attosecond
Biegert dan kelompoknya telah mengusulkan dan berhasil mendemonstrasikan metodologi analisis baru untuk mengungkap proses kompleks pembukaan cincin molekuler dalam skala waktu ultracepat aslinya. Gabungan resolusi temporal tinggi dan spektrum energi koheren dari teknik mutakhir mereka memungkinkan mereka tidak hanya melacak transisi furan melintasi persimpangan berbentuk kerucut, tetapi juga untuk mengidentifikasi koherensi elektronik dan nuklir, detak kuantum, keadaan gelap optik, dan perubahan simetri, menyediakan gambaran yang sangat rinci tentang keseluruhan proses relaksasi.
Kekuatan spektroskopi tingkat inti attodetik tidak terbatas pada molekul tertentu namun merupakan alat umum yang dirancang untuk digunakan pada spesies lain juga. Oleh karena itu, mekanisme baru ini dapat mengungkap dinamika kompleks dari fungsi-fungsi terkait, seperti mekanisme fotoproteksi DNA dasar. Selain itu, para peneliti mengidentifikasi manipulasi reaksi molekuler yang efisien dan dinamika relaksasi energi sebagai beberapa penerapan yang paling menjanjikan untuk pekerjaan mereka.
Referensi: “Spektroskopi serapan tingkat inti Attosecond mengungkap dinamika elektronik dan nuklir dari pembukaan cincin molekul” oleh S. Severino, KM Ziems, M. Reduzzi, A. Summers, H.-W. Matahari, Y.-H. Chien, S. Gräfe dan J. Biegert, 29 April 2024, Fotonik Alam.
DOI: 10.1038/s41566-024-01436-9
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
