Forskare från Ohio State University och Louisiana State University har utvecklat en banbrytande teknik för att observera ultrsnabb molekylär interaktion i vätskor med hög harmonisk spektroskopi. I ett överraskande experiment med fluorbensen och metanol upptäckte de ett subtilt vätebindning som hämmar ljusemission. Detta genombrott, publicerat i PNAS, öppnar nya fönster till vätskedyinamik essentiell för kemi och biologi.
Vätskor spelar en avgörande roll i biologiska och kemiska processer, men deras molekylära beteenden har varit svåra att observera på grund av ständig rörelse och ultrsnabb interaktion. Traditionella metoder som optisk spektroskopi är för långsamma för att fånga dessa händelser, som sker på attosekunderskala – en miljarddel av en miljarddel av en sekund.
Ett team från Ohio State University (OSU) och Louisiana State University (LSU) har förändrat det genom att anpassa hög harmonisk spektroskopi (HHS), en icke-linjär optisk teknik tidigare begränsad till gaser och fasta ämnen. HHS använder intensiva, korta laserpulser för att jonisera molekyler, vilket frigör elektroner som rekombinerar och emitterar ljus som avslöjar elektron- och kärnrörelser. För att övervinna vätskors utmaningar – som ljusabsorption och signalkomplexitet – skapade forskarna en ultratunn vätskefilm som låter mer harmoniskt ljus undslippa för detektion.
De testade enkla blandningar och kombinerade metanol med halobensener, molekyler som skiljer sig endast åt ett halogenatom: fluor, klor, brom eller jod. De flesta blandningar producerade förväntade harmoniska signaler och blandade komponenternas emissioner. Blandningen fluorbensen-metanol betedde sig dock annorlunda och gav mindre ljus totalt och helt undertryckte en harmonisk.
"Vi blev verkligen förvånade över att PhF-metanol-lösningen gav helt annorlunda resultat än de andra lösningarna", sa Lou DiMauro, Edward E. och Sylvia Hagenlocker Professor i fysik vid OSU. "Inte bara var blandningsavkastningen mycket lägre än för varje vätska separat, utan vi fann också att en harmonisk var helt undertryckt."
Simulationer förklarade detta som ett 'molekylärt handslag' – en vätebindning mellan fluor i fluorbensen och metanols syre-vätegrupp, driven av fluors elektronegativitet. Denna organiserade struktur skapar en elektron-spridningsbarriär som stör harmonisk generation. "Vi fann att PhF-metanol-blandningen är subtilt annorlunda än de andra", noterade John Herbert, professor i kemi vid OSU. LSU-teamet bekräftade detta via tidsberoende Schrödinger-ekvationsmodeller som visar att barriärens position påverkar undertryckningsmönster och ger insikter i lokala solvatiseringstrukturer.
"Vi var exalterade över att kunna kombinera resultat från experiment och teori, över fysik, kemi och optik, för att lära oss något nytt om elektrondynamik i den komplexa vätskemiljön", sa Mette Gaarde, Boyd Professor i fysik vid LSU.
Detta framsteg kan belysa processer i celler, strålskador och material, med HHS nu känslig för solut-lösningsmedelsinteraktioner. Finansierat av DOE och NSF, studien publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences (2025).
