Ultrafast charge and structural dynamics in biomolecules
- Reference number
- FFL12-0101
- Start and end dates
- 140101-191231
- Amount granted
- 9 699 304 SEK
- Administrative organization
- Lund University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The aim of this project is to develop and apply novel experimental techniques to observe the mechanisms active in a biomolecule just after it is excited by a photon, following the attosecond charge dynamics within the molecule as well as the structural changes that the molecule undergoes as a result of the charge reorganization. The experimental work will be carried out on two fronts, using facility-scale high flux free-electron lasers as well as laboratory-scale attosecond pulse sources. While the pulse duration will provide the required temporal resolution, the short wavelength will enable us to achieve a spatial resolution on the order of the length of a typical molecular bond. The results of the experiments will be obtained by recording the full energy and angular distribution of all emitted electrons and ions. The successful completion of this project will give scientists unique tools needed to watch what happens during the very first few moments of a chemical reaction, allowing for a more fundamental understanding of processes occurring in nature for which the underlying mechanisms are not known to date. Important examples of such processes are the photosynthesis and charge transfer through DNA. Further, as soon as we can measure and start to understand these processes, we will be able to learn how to exert control over them, something that will be of great importance in for example the development of efficient solar cells and in the field of molecular electronics.
Popular science description
Vill man ta en bild av något som rör sig mycket snabbt, krävs det att man använder en kort exponeringstid. Om kamerans slutare är öppen under för lång tid, hinner det man vill fotografera röra sig under tiden filmen exponeras, med resultatet att bilden blir suddig. Kemiska reaktioner, där atomerna i en molekyl rör sig i förhållande till varandra så att molekylen ändrar form eller uppbyggnad, är exempel på något som sker på väldigt kort tid, typiskt några hundra femtosekunder (en femtosekund är en miljondels miljarddels sekund). För att kunna tidsupplösa dessa har forskare under de senaste tjugo åren använt ultrakorta laserpulser, både till att starta reaktionen och för att mäta resultatet. Med femtosekundspulser är det möjligt att följa rörelserna hos de atomer som molekylen är uppbyggd av. De elektroner som binder samman atomerna i molekylen, och är ytterst ansvariga för att reaktionen sker men också för i vilken riktning reaktionen fortskrider, rör sig dock ännu snabbare än så. För att kunna tidsupplösa dessa behöver man attosekundspulser, där en attosekund är en miljarddels miljarddels sekund, det vill säga tusen gånger kortare än en femtosekund. Så korta ljuspulser lyckades en grupp forskare skapa för första gången år 2001, genom generering av höga övertoner till en intensiv infraröd laserpuls. I vår forskning kommer vi att använda två olika laserkällor för att tidsupplösa kemiska reaktioner. Dels stora internationella så kallade frielektronlaser-faciliteter som producerar intensiva femtosekundspulser, och dels laboratorielasrar som ger tillgång till attosekundspulser. Målet med vår forskning är att inte bara studera hur molekylers struktur förändras på en femtosekundsskala då en kemisk reaktion sker, utan också varför och hur reaktionen sker, genom att studera hur elektronerna i molekylen driver reaktionen framåt. Då detta är den grundläggande mekanismen bakom alla fotokemiska reaktioner, och exempelvis det som styr processer som fotosyntesen och transport av laddning i DNA, har sådana resultat potential att bidra till förståelse och vidare forskning i många olika forsknigsfält, från Kemi och Biologi till Nanovetenskap. Vidare ger en ökad förståelse för sådana processer också en möjlighet att kunna kontrollera dem, vilket skulle vara av stor nytta för exempelvis effektivare solcellsteknologi och molekylär elektronik.