Ieder molecuul reageert in eigen tempo
Processen in en tussen moleculen verlopen razendsnel, in femto- tot picosecondes. Meetmethoden om dit snelle gedrag van moleculen te bestuderen leveren in de regel informatie op over een groot aantal moleculen tegelijk. Hoe de moleculen afzonderlijk zich gedragen is meestal niet te zien. Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Twente hebben nu een methode ontwikkeld om het ultrasnelle gedrag van ieder molecuul apart te onderscheiden. Dat leverde meteen een verrassing op. Geen twee - op zich identieke - moleculen gedroegen zich in de Twentse experimenten hetzelfde. Ieder molecuul wordt net iets anders beïnvloed door zijn omgeving. Dit zal het mogelijk maken om bijvoorbeeld een razendsnel proces zoals fotosynthese tot op het niveau van de afzonderlijke betrokken moleculen te ontrafelen en te begrijpen. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in de Physical Review Letters van 25 februari aanstaande.
Eiwitten, netwerken van waterstofbruggen, antennecomplexen in fotosynthetische systemen, verbonden polymeerketens: het zijn allemaal complexe systemen met zeer dynamische eigenschappen. Processen die voor het functioneren van die moleculen essentieel zijn, zoals het overdragen van energie en lading, of reorganisatie van netwerken, verlopen razendsnel. Het gaat dan om tijdsbestekken van femto- tot picoseconden, ofwel 10 -15 tot 10 -12 seconde. Met geschikte laserpulsen kunnen onderzoekers hier inzicht in krijgen. Experimenten aan individuele moleculen laten echter keer op keer zien dat onder complexe systemen een enorme veelheid aan verschijningsvormen schuil gaat, variabel van plaats tot plaats en moment tot moment. Voor een compleet beeld is er slechts één aanpak: de dynamica van individuele moleculen in tijdsbestekken van femtoseconden meten.
Elk molecuul reageert verschillend
Erik van Dijk (FOM), Jordi Hernando, Maria Garcia-Parajo, Kobus Kuipers (FOM-AMOLF) en Niek van Hulst, allen verbonden aan het instituut MESA + van de Universiteit Twente, hebben nu voor het eerst in experimenten aan afzonderlijke organische moleculen in detail laten zien hoe een enkel molecuul reageert op 'belichting' met een laserpuls die enige femtoseconden duurt. De energie uit de puls brengt het molecuul in een hogere energietoestand. Het molecuul wil die energie zo snel mogelijk weer kwijt raken en doet dat eerst door deze over het molecuul te verdelen en daarna een foton (een 'lichtdeeltje') uit te zenden. Door deze zogenaamde fluorescentiestraling kan de aanwezigheid van het molecuul worden gemeten. De truc van de Twentse onderzoekers bestaat nu uit het aanbieden van twee identieke laserpulsen van enige femtoseconden vlak na elkaar. De tweede puls geeft het molecuul een extra kans in de hogere energietoestand te komen en een fluorescentiefoton uit te zenden. Deze extra fluorescentie hangt af van de tijdsvertraging tussen de twee pulsen en de tijd van energieverdeling over het molecuul. Van molecuul tot molecuul blijkt dit tijdseffect te verschillen. Met andere woorden: het ene molecuul weet de verstoring die door de laserpulsen is opgewekt veel sneller kwijt te raken dan het andere molecuul. De 'reactietijd' van de moleculen blijkt te variëren van minder dan 50 femtoseconden tot wel 400 femtoseconden. Dat kan alleen maar als de moleculen de energie die door de laserpulsen is toegevoerd in een verschillend tempo over het molecuul zelf en wellicht ook wat naar hun omgeving verdelen. Dit kan worden geïnterpreteerd als dat die op zich identieke moleculen door de omstandigheden kunnen verschillen van vorm.
Nieuwe veelbelovende methode
De techniek om dit gedrag te meten vormde een belangrijk onderdeel van het onderzoek van Erik van Dijk, waarop hij op 11 februari in Enschede met lof promoveerde. De onderzoekers hebben met hun experimenten de basis gelegd voor een veelbelovende methode om de ultrasnelle overdracht van energie in natuurlijke en synthetische moleculaire systemen te ontrafelen, en dat onder natuurlijke omstandigheden. De onderzoekers deden hun metingen namelijk bij kamertemperatuur en onder normale atmosferische druk.
Meer informatie bij prof.dr. Niek van Hulst, telefoon (053) 489 38 05.