Filmer les mouvements moléculaires ultrarapides dans un cristal unique
Une étape décisive a permis de dévoiler la réaction moléculaire, mettant en lumière la danse complexe des atomes et les secrets des transformations chimiques
Comprendre le comportement de la matière est essentiel pour faire progresser des domaines scientifiques tels que la biologie, la chimie et la science des matériaux. La cristallographie aux rayons X a joué un rôle déterminant dans cette quête, en permettant aux scientifiques de déterminer les structures moléculaires avec précision. Dans les expériences traditionnelles de cristallographie aux rayons X, un cristal unique est exposé plusieurs fois aux rayons X afin d'obtenir des signaux de diffraction. Cela pose un problème lorsque la structure de l'échantillon est altérée ou endommagée par l'exposition aux rayons X.
Schéma d'une expérience de cristallographie femtoseconde en série résolue dans le temps (TR-SFX) sur le réseau de coordination poreux-224(Fe), PCN-224(Fe). Les cristaux de PCN-224(Fe) sont exposés à une impulsion laser UV femtoseconde intense pour déclencher une réaction. Les changements structurels ultrarapides des porphyrines de fer et des clusters de zirconium dans le PCN-224(Fe) ont été directement visualisés à l'aide d'impulsions de rayons X du laser à électrons libres à résolution spatio-temporelle femtoseconde (10-15 seconde) et angström (10-10 mètre). En mesurant les diagrammes de diffraction des rayons X produits par les impulsions de rayons X au cours du temps, la structure moléculaire du PCN-224(Fe) après la réaction a été observée.
Institute for Basic Science
Ces dernières années, les progrès technologiques ont permis le développement de la "cristallographie femtoseconde en série résolue dans le temps" (TR-SFX). Dans la cristallographie en série, un cristal n'est exposé qu'une seule fois aux rayons X, ce qui permet de mesurer l'échantillon dans le meilleur état possible où le cristal n'est pas endommagé par les rayons X. Cette technique est ensuite combinée à la célèbre cristallographie en série dans le temps. Cette technique est ensuite combinée à la technique populaire de résolution temporelle, qui permet de suivre en temps réel les changements structurels des molécules dans les cristaux au cours d'une réaction.
Cependant, TR-SFX a jusqu'à présent été limité à l'étude d'échantillons de protéines. Si l'utilisation de TR-SFX peut être étendue à des échantillons non protéiques, elle ouvrira des possibilités d'étudier le mouvement en temps réel dans une gamme plus large de matériaux, y compris ceux qui sont cruciaux pour les semi-conducteurs et les batteries.
Pour la première fois, des chercheurs dirigés par le directeur IHEE Hyotcherl du Center for Advanced Reaction Dynamics au sein de l'Institute for Basic Science (IBS) ont appliqué TR-SFX à un système autre que les protéines. Le matériau qu'ils ont choisi est un échantillon appelé réseau de coordination poreux-224(Fe), PCN-224(Fe), pour démontrer la faisabilité de la cristallographie en série au niveau moléculaire, ce qui leur permet d'observer le mouvement moléculaire en temps réel avec une résolution atomique. L'échantillon est constitué de monoxyde de carbone (CO) adsorbé sur des dérivés de porphyrine de fer (Fe porphyrine) et des clusters de zirconium (Zr) répétés dans une structure métallo-organique.
La raison pour laquelle TR-SFX était auparavant limité à l'étude d'échantillons de protéines est que des normes beaucoup plus strictes sont nécessaires pour évaluer les structures d'échantillons non protéiques. L'équipe de l'IBS a donc dû améliorer considérablement les spécifications de la cristallographie afin de répondre à ces critères élevés. La configuration de l'équipe a révélé la structure cristalline à un total de 33 points temporels allant de 100 femtosecondes à 3 nanosecondes (10-9 secondes). Il s'agit d'une avancée par rapport aux études TR-SFX précédentes sur les protéines, qui ne rapportent généralement les structures cristallines qu'à une dizaine de points temporels. Cette augmentation substantielle de la résolution temporelle, près de trois fois supérieure à celle des études précédentes sur les protéines, a permis une représentation plus précise des changements structurels sur une longue période de temps.
Lorsque le PCN-224(Fe) est irradié par la lumière, le CO adsorbé sur la porphyrine Fe est dissocié, ce qui déclenche une cascade de changements structurels. En utilisant le TR-SFX amélioré, les chercheurs ont pu observer ces changements structurels avec un niveau de détail sans précédent - avec une résolution temporelle femtoseconde de 10-15 secondes et une résolution atomique de 10-10 mètres (ou angströms).
Ils ont pu identifier trois voies différentes de changement structurel : le doming, le mouvement des atomes de fer dans les porphyrines de fer hors du plan de la porphyrine ; le mode phonon des atomes de zirconium et de fer ; et le mouvement vibratoire aléatoire avec l'augmentation de la température. Avec cette étude, les chercheurs ont montré qu'il est possible d'appliquer les mesures TR-SFX à des systèmes chimiques, ce qui constitue une avancée importante dans la démonstration de la praticabilité de la technique.
Cette étude marque une étape importante pour la communauté scientifique, car c'est la première fois que le comportement moléculaire est observé en temps réel à l'aide de la cristallographie en série. En utilisant TR-SFX, une technique qui offre une haute résolution spatio-temporelle, l'équipe a pu saisir en temps réel de minuscules changements structurels dans des molécules à l'état solide.
Le directeur du Center for Advanced Molecular Reaction Dynamics, M. Ihee, a déclaré : "Étant donné que les avancées techniques et les méthodes analytiques proposées dans cette étude peuvent être largement utilisées pour observer de nombreuses autres réactions en phase cristalline de divers systèmes moléculaires, cette recherche ouvre non seulement de nouveaux horizons dans le domaine de la recherche sur la structure moléculaire, mais elle a également des applications infinies pour les futures découvertes scientifiques."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Jaedong Kang, Yunbeom Lee, Seonggon Lee, Hosung Ki, Jungmin Kim, Jain Gu, Yongjun Cha, Jun Heo, Kyung Won Lee, Seong Ok Kim, Jaehyun Park, Sang-Youn Park, Sangsoo Kim, Rory Ma, Intae Eom, Minseok Kim, Jeongho Kim, Jae Hyuk Lee, Hyotcherl Ihee; "Dynamic three-dimensional structures of a metal–organic framework captured with femtosecond serial crystallography"; Nature Chemistry, 2024-3-25
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