Dynamische aspirin: Molekulare Schwingungen Laufwerk Elektronen über große Entfernungen

Aspirin ist nicht nur ein wichtiges Medikament, aber auch eine interessante Physik-Modellsystem in der molekularen Schwingungen und Elektronen sind gepaart, in einer bestimmten Weise. Zum ersten mal, x-ray-Experimente in der ultrakurzen Zeit-Domäne stellen die elektronenbewegungen sichtbar in Echtzeit. Sie zeigen, dass sehr kleine Atomare Verschiebungen Verschiebung Elektronen über sehr viel größere Entfernungen innerhalb des aspirin-Moleküle.

Aspirin-Pillen bestehen aus vielen kleinen kristallite, in denen Moleküle von Acetylsalicylsäure bilden eine regelmäßige räumliche Anordnung. Die Moleküle paar miteinander über vergleichsweise schwache Wechselwirkungen und erzeugen elektrische Felder üben eine Kraft auf die Elektronen für jedes Molekül. Auf Anregung von molekularen Schwingungen, die Verteilung der Elektronen im Raum und damit die chemischen Eigenschaften ändern sollte. Während dieses Szenario war Gegenstand von theoretischen arbeiten, gibt es bisher keine experimentellen demonstration und das Verständnis der molekularen Dynamik so weit.

Wissenschaftler des Max-Born-Institut in Berlin, Deutschland, haben inzwischen die ersten und direkten Einblick in Elektronen-Bewegungen während einer gekoppelten Schwingung des aspirin-Moleküle. In einer der letzten Ausgaben der Zeitschrift Structural Dynamics [6,014503 (2019)], Sie berichten Ergebnisse einer x-ray experiment in der ultrakurzen Zeit-Domäne. Einem ultrakurzen optischen pump-Puls induziert Schwingungen des aspirin-Moleküle mit einer Schwingungs-Zeitraum von etwa 1 Pikosekunden (ps, ein Millionstel einer Millionstel Sekunde). Eine ultrakurze hard x-ray-pulse, die verzögert relativ zum pump-Puls, ist gebeugt vom angeregten Pulver der kristallite auf der Karte die momentane räumliche Anordnung von Elektronen über ein x-ray diffraction pattern.

Die Drehbewegung des methyl (CH3) – Gruppe von einer aspirin-Molekül entsteht bei der schwingungsanregung. In der animation werden die atomaren Verschiebungen sind künstlich vergrößert, um Sie sichtbar zu machen. Die methyl-rotation ist verbunden mit einer räumlichen Verschiebung der Elektronen über die gesamte aspirin-Molekül (gelb Wolken, sogenannte isosurface konstanter Elektronendichte). Die periodische elektronenbewegungen auftreten, gleichzeitig mit den Schwingungen der Atome und den Abstand reiste durch die Elektronen sind in der Regel 10000 mal größer als die atom-Verschiebungen der methyl-rotation. Dieses Verhalten zeigt der hybrid-Charakter der methyl-rotation, die besteht sowohl aus der Atom-und elektronenbewegungen auf ganz unterschiedlichen Längenskalen. Der hybrid-Charakter stammt aus der elektrischen Wechselwirkung zwischen aspirin-Moleküle und die dynamische Minimierung der elektrostatischen Energie in die kristallitgröße.

Diese neuen Ergebnisse unterstreichen die zentrale Rolle der Hybriden Modi für die Stabilisierung der Kristallstruktur, in übereinstimmung mit den theoretischen Berechnungen. Im Fall von aspirin, diese Eigenschaft begünstigt das sogenannte Formblatt 1 der Kristallstruktur im Vergleich zu anderen molekularen Anordnungen. Die starke modulation der elektronenverteilung, die durch Vibrationen ist relevant für zahlreiche Kristallstrukturen, in denen elektrische Wechselwirkungen herrschen. Schwingungs-Anregung von ferroelektrischen Materialien ermöglichen sollten, für ein ultraschnelles schalten der makroskopischen elektrischen Polarisation und damit zu neuen elektronischen Geräte für extrem hohe Frequenzen.