Ultrasnabb elektron- och strukturdynamik i biomolekyler
- Diarienummer
- FFL12-0101
- Start- och slutdatum
- 140101-191231
- Beviljat belopp
- 9 699 304 kr
- Förvaltande organisation
- Lund University
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Målet med detta projekt är att utveckla och tillämpa experimentella tekniker för att tidsupplöst studera vad som händer i biomolekyler då de exciteras av ljus. Detta vill vi göra genom att studera elektrondynamiken på en attosekundtidsskala samtidigt som vi följer de strukturförändringar hos molekylen som elektrondynamiken inducerar. Experimenten kommer att utföras på två fronter: dels vid stora frielektronlaser-faciliteter som producerar intensiva femtosekundspulser, och dels i laboratoriet där vi har tillgång till attosekundspulser. Resultatet från de utförda experimenten kommer att baseras på vinkelupplösta mätningar av de fotoelektroner och -joner som utsänds då molekylerna joniseras. Resultaten från detta projekt kommer att ge forskare tillgång till unika verktyg för att studera vad som händer under de första få ögonblicken av en kemisk reaktion, vilket kommer att bidra till en mer fundamental förståelse av naturligt förekommande processer för vilka de exakta detaljerna inte är kända idag. Exempel på sådana processer är till exempel fotosyntesen och laddningstransport i DNA-molekyler. Vidare kan denna ökade förståelse ge oss möjlighet att kontrollera sådana processer, vilket är viktigt för utveckling av tillämpningar inom exempelvis solcellsteknologi och molekylär elektronik.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.