Ilmuwan mendengar sebuah molekul menyanyikan namanya sendiri

Laser menyala. Molekulnya berbalik. Bukan secara acak, bukan karena efek termal, untuk pertama kalinya sebuah molekul menyanyikan sidik jari getarannya sendiri, nada demi nada, kepada pendengar yang sabar dan dapat mendengarnya.

Pada suhu 7 Graus Kelvinsangat rendah bahkan udara pun bisa membeku, satu molekul bertumpu pada permukaan tembaga.

Bagaimanapun, ini adalah salah satu objek terkecil yang pernah ada sengaja diinterogasi: cincin yang terdiri dari empat atom karbon dan satu nitrogen, dengan atom hidrogen meletus dari tepinya.

Ujung tungsten melayang sejauh nanometer, mengukur aliran kuantum elektron. Kemudian, laser menyala. Molekulnya berputar.

Bukan secara kebetulan, bukan karena efek termalnamun sebagai respons langsung terhadap pancaran sinar inframerah yang disetel agar beresonansi pada frekuensi tepat saat ikatan nitrogen-hidrogen meregang.

Tip mencatat peralihan. Peralihan adalah spektrumnya. Dan, untuk pertama kalinya, satu molekul menyanyikan getar sidik jari Anda sendiril, catatan demi catatan, bagi pendengar yang sabar yang dapat mendengarnya, itu dihitung Blog Sains.

Teknik yang dikembangkan oleh Shaowei Li dan rekan-rekannya di UC San Diego dan dipresentasikan dalam a artikel diterbitkan pada hari Kamis di jurnal Science, menggabungkan dua alat canggih namunsekarang tidak kompatibel antaraSaya.

A spektroskopi inframerah telah menjadi instrumen pilihan kimia selama lebih dari satu abad: Anda menyinari molekul dengan frekuensi yang tepat, mengamati penyerapan, dan menemukan ikatan mana yang ada.

Masalahnya ada pada penyelesaiannya. Cahaya inframerah memiliki panjang gelombang yang diukur dalam mikrometer, dan batas difraksi mencegahnya untuk terfokus secara tepat untuk mengisolasi satu molekul di antara banyak molekul lainnya.

A mikroskop varimento dengan efek terowongan, sebaliknya, ia dapat memperoleh gambar atom individu dengan presisi yang sangat tinggi. Namun kepekaannya terhadap getaran selalu dibatasi oleh sempitnya jendela energi yang dapat diselidiki oleh efek terowongan elektronik.

Kelompok Li menggabungkan eksitasi inframerah dengan deteksi arus terowongan, menentukan platform yang dihasilkan dengan IRiSTM.

Idenya adalah sangat sederhana: Jika Anda menyetel laser ke a frekuensi yang menggairahkan getaran molekul tertentudan getaran ini membuat molekul bergerak, meskipun sedikit, arus terowongan akan berubah.

Tetapi membuat ini berhasil diperlukan penghapusan sejumlah sinyal yang mengganggu, khususnya ekspansi termal dari ujung itu sendiri, yang ditekan oleh para peneliti dengan bahan aktif umpan balik piezoelektrik.

Untuk memvalidasi pendekatan tersebut, mereka memulai dengan yang paling sederhana. ITU etinilo radikalhanya terdiri dari dua atom karbon dan satu atom hidrogen, disimpan pada tembaga dan diterangi dalam berbagai macam inframerah.

A 3.169 bilangan gelombangsesuai dengan perpanjangan ikatan karbon-hidrogen, molekul mulai berputar dengan cepat antara empat orientasi setaranya di permukaan. Saat menjauh dari frekuensi tersebut, putarannya melambat.

Ke mengganti hidrogen dengan atom deuteriumlebih berat, semua puncak diperkirakan akan bergeser ke energi yang lebih rendah, sesuai kebutuhan fisika dasar. Penggantian isotop melakukan apa yang selalu dia lakukan dalam spektroskopi: mengkonfirmasi atribusi tersebut tanpa keraguan.

Setelah menetapkan metodenya, tim peneliti beralih ke sesuatu bobot biologis yang lebih besar. A pirrolidinacincin beranggota lima dalam inti asam amino prolinadalah salah satu molekul kecil terpenting dalam biologi struktural.

A “dobra da prolina“ dihasilkan mengganggu geometri reguler proteinmemaksa lengkungan dan tikungan yang membentuk pusat aktif enzim, reseptor membran, dan triple helix kolagen.

Cincin pirolidin tidak kaku: ia tertekuk di antara dua konformasi, aksial dan ekuator, suatu gerakan yang oleh ahli kimia disebut kerutan cincin.

Pada suhu yang relevan secara biologis, “mengerut“, terjadi secara spontan dan terus menerus. Pada 6,3 kelvin, pada permukaan tembagaperlu dorongan.

Laser memberikan impuls ini. Dengan memindai hampir seluruh rentang inframerah tengah, tim mengukur bagaimana rangsangan getaran yang berbeda mengubah tingkat peralihan antara kedua konformer.

Spektrum yang dihasilkan adalah secara mengejutkan lebih kaya daripada yang diungkapkan oleh teknik konvensional mana pun.

Selain perluasan mendasar ikatan nitrogen-hidrogen dan karbon-hidrogen, spektrumnya juga terungkap nada tambahanpersamaan molekul harmonik, pada frekuensi dasar dua kali lipat dan tiga kali lipat, serta pita kombinasi di mana dua mode getaran berbeda menambahkan energinya.

Beberapa ciri-ciri tersebutkhususnya kumpulan antara 4.500 dan 5.500 bilangan gelombang sama sekali tidak terlihat dengan metode inframerah konvensional.

Ketidaktampakan ini penting. IRiSTM mengikuti aturan seleksi yang berbeda dari spektroskopi konvensional, karena sinyal tidak hanya bergantung pada getaran yang menyerap cahaya inframerah, tetapi juga pada getaran yang diterjemahkan menjadi pergerakan nuklir yang dapat diukur.

Perpanjangan karbon-hidrogen, terlihat jelas dalam pengukuran inframerah massal absen dari spektrum IRiSTM dari pyrrolidine: menyerap cahaya dengan cukup mudah, tapi energi yang dihasilkan hilang dengan cepat melalui saluran lain tanpa mendorong cincin ke arah saklar konformasinya.

Deformasi cincin terdengar berlebihan lakukan yang sebaliknya: perpindahan nuklirnya yang besar berpasangan langsung dengan koordinat kerutan, membuatnya terlihat jelas, meskipun memiliki peredam yang buruk dalam pengukuran ansambel.

“Namun, spektroskopi inframerah adalah salah satu alat kami yang paling ampuhSampai saat ini selalu menjadi teknik kelompok“, kata Li. “Ini memberi kita cara pandang, pada tingkat yang paling mendasarbagaimana energi getaran berpasangan dengan gerakan molekuler.”

Pertanyaan penghubung ini telah membuat frustasi para ahli kimia selama beberapa dekade. ITU impian kimia selektif ikatan —menyetel laser ke getaran tertentu dan menggerakkan reaksi sepanjang jalur yang dipilih—telah berulang kali menyadari kenyataan bahwa energi getaran menghilang hampir secara instan ke mode terdekat sebelum dapat melakukan pekerjaan yang berguna.

Memahami dengan tepat getaran mana yang berpasangan dengan gerakan mana, dan seberapa cepat, merupakan prasyarat untuk menjadikan kontrol keterkaitan selektif menjadi kenyataan praktis.

IRiSTM dengan demikian menawarkan a jendela eksperimen langsung tepatnya pada dinamika ini, molekul demi molekul, dalam lingkungan di mana lingkungan lokal dapat dikontrol dan divariasikan secara sistematis.