Este trabajo ha sido apoyado por el clúster de excelencia "The Hamburg Center for Ultrafast Imaging – Structure, Dynamics and Control of Matter at the Atomic Scale" de la Deutsche Forschungsgemeinschaft y por el Helmholtz Virtual Institute "Dynamic Pathways in Multidimensional Landscapes".

1. Descripción de la configuración experimental
En la Figura 2 21se muestra un esquema de la configuración del haz molecular en fase gaseosa y del deflector. Consiste en:
<ol><li>Una válvula Even-Laviepulsada 29 que contiene la muestra molecular. Otras válvulas de haz molecular pulsado se pueden utilizar igualmente bien siempre y cuando se forme un haz molecular frío (O (1 K)). Los siguientes parámetros son específicos para la válvula Even-Lavie empleada. En los experimentos presentados aquí, la válvula se opera a una tasa de repetición de 20 Hz con altas presiones de respaldo (helio a ~ 50 bar) y se expande en una cámara de vacío evacuada a <10-6 mbar.</li>
	<li>Un skimmer de haz molecular (2 mm de diámetro) se coloca 22 cm aguas abajo de la válvula, colimando el haz molecular y dando lugar a condiciones de bombeo diferenciales entre la válvula pulsada y el resto del sistema de vacío.</li>
	<li>Inmediatamente después del skimmer las moléculas entran en el dispositivo de deflexión electrostática. Esta consiste en una varilla (radio 3,0 mm) y una vaguada (radio de curvatura 3,2 mm), cada una de 24 cm de largo. El espacio vertical entre los electrodos en el centro del dispositivo es de 2,3 mm. Se aplica una diferencia de potencial entre 0-26 kV entre la varilla y el canal, produciendo un fuerte campo eléctrico no homogéneo con un gradiente de campo casi constantede 30,como se indica en el recuadro de la Figura 2.</li>
	<li>Directamente después de que las moléculas deflectoras entran en la región de interacción a través de un segundo skimmer, proporcionando una etapa de bombeo diferencial adicional.</li>
	<li>La región de interacción (evacuada a presiones <10-9 mbar) contiene una configuración estándar de tiempo de vuelo (TOF) de Wiley-McLaren. Las moléculas son ionizadas por pulsos láser enfocados en el centro de la región de extracción, entre los electrodos repelente y extractor. Los iones producidos se aceleran hacia un detector de placas multicanal (MCP), donde se registra un espectro de masas.</li>
	<li>Los pulsos láser se derivan de un láser de tinte bombeado Nd:YAG, proporcionando longitudes de onda de salida típicas alrededor de 283 nm (experimentos de indol) o 272 nm (experimentos de 3-fluorofenoles) y energías de pulso de unos pocos mJ. Las duraciones de los pulsos son del orden de 10 nsec y los pulsos se enfocan con una lente f = 750 mm a un tamaño de punto de ~ 100 μm en la región de interacción.</li>
	<li>La secuencia de temporización es controlada por un generador de retardo digital que proporciona el reloj maestro. Esto activa el láser Nd:YAG (lámparas de flash y Q-switch), la válvula pulsada y la tarjeta digitalizadora utilizada para registrar espectros de masas.</li>
	<li>Los espectros de masas se registran en una tarjeta digitalizadora, activada al mismo tiempo que el interruptor Q láser. Las densidades de haz molecular se extraen de las puertas de masa apropiadas en los espectros de tiempo de vuelo registrados.</li>
</ol>2. Producción y caracterización de un haz molecular conformer seleccionado
<ol><li>Un haz molecular frío de las moléculas objetivo se crea a través de la expansión supersónica y se caracteriza utilizando perfiles espaciales (direcciones x, y) y temporales (dirección z).</li>
	<li>Cargue el depósito de muestra de la válvula pulsada con la muestra química. Disuelva las muestras sólidas en un disolvente apropiado y coloque unas gotas en un pequeño trozo de papel de filtro que se inserta en el cartucho de muestra. Coloque las muestras líquidas directamente sobre el papel de filtro.</li>
	<li>Producir la expansión supersónica, utilizando un gas de respaldo de alta presión de alta pureza. Ajuste la temperatura del depósito de la muestra dentro de la válvula de tal manera que la presión parcial de la muestra sea de aproximadamente 10 mbar. Nota: Para las muestras líquidas típicamente no es necesario el calentamiento. El tiempo de apertura de la válvula depende del modelo exacto de válvula pulsada utilizado, para los experimentos presentados aquí la válvula Even-Lavie se opera con una duración de pulso eléctrico de 10 μsec.</li>
	<li>Caracterice el haz molecular producido con el deflector electrostático apagado. Ajuste el láser de ionización a una longitud de onda conocida para la ionización multifotónica mejorada por resonancia (REMPI) de un conformador particular de la muestra. Registre un perfil temporal del pulso del haz molecular monitoreando el rendimiento total de iones parentales en el detector MCP en función del retardo válvula-láser.</li>
	<li>Fije el retardo válvula-láser en la posición de máxima intensidad para todas las mediciones posteriores.</li>
	<li>Registre un perfil espacial transversal del haz molecular monitoreando el rendimiento total de iones parentales en función de la posición y del enfoque láser. Para ello, mueva la lente de enfoque perpendicular a la dirección de propagación del láser, de modo que el enfoque se mueva en la dirección y en relación con el haz molecular.</li>
	<li>Repita el perfil temporal y espacial para todos los conformadores de interés en el haz. Nota: Éstos tienen típicamente resonancias distintas de REMPI, tales que cada conformer se puede sondear por separado. Sin embargo, en ausencia de un campo de deflexión, los perfiles temporales y espaciales son idénticos para todos los conformadores.</li>
	<li>Caracterización del haz desviado. Encienda el suministro de alto voltaje al deflector y registre los perfiles espaciales para todos los isómeros. Estos ahora deben ser desviados de acuerdo con la relación de momento masa-dipolo. Nota: Para las especies sometidas a grandes deflexiones puede ser necesario mover el skimmer inmediatamente después del deflector para garantizar una buena transmisión del haz desviado a la región de detección.</li>
	<li>Realizar experimentos en la parte conformer o de tamaño seleccionado del haz molecular asegurando que la interacción (porejemplo, un rayo láser de cruce) tenga lugar dentro de la parte del haz molecular que contiene únicamente las especies de interés.</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

A lo largo de este manuscrito, se asume la familiaridad con los componentes de ultra alto vacío, las válvulas de haz molecular pulsado y las fuentes de láser, y siempre se deben cumplir los procedimientos de seguridad asociados. Se debe tener especial cuidado al manipular los electrodos de alto voltaje para el deflector. Sus superficies deben pulirse con un alto nivel y deben estar absolutamente limpias para evitar arcos dentro de la cámara de vacío. Antes de su primer uso, los electrodos deben estar acondicionados al vacío. El voltaje aplicado se incrementa lentamente y se mide la corriente a través de los electrodos. Los electrodos no deben extraer corriente (del orden de unos pocos nA como máximo), independientemente de la tensión aplicada. Un programa de acondicionamiento típico para aumentar paso a paso la tensión aplicada es el siguiente: 0-6 kV en pasos de 3 kV, 6-10 kV en pasos de 1 kV, 10-15 kV en pasos de 0,5 kV. En cada paso, el voltaje debe dejarse constante durante al menos 15 minutos y la corriente monitoreada.
De crucial importancia al establecer un experimento de deflexión es la alineación de los componentes del haz molecular. La alineación inicial de la configuración debe llevarse a cabo con un láser de alineación, asegurando la línea de visión desde la válvula pulsada, a través de los skimmers y el deflector en el centro de la región de detección. Además, es aconsejable colocar los skimmers de haz molecular en montajes de traslación xy (direcciones radiales como se definen en la Figura 2),para optimizar la señal observada. Esto además evita un problema encontrado para especies de grandes momentos dipolares, o cuando se utilizan campos de deflexión muy fuertes. Si la separación espacial es demasiado grande, las moléculas ya no viajarán a través del último skimmer. Un skimmer movible permite optimizar la transmisión de las especies de interés mientras se discrimina contra otras.
Cabe señalar que son las moléculas en estados cuánticos rotacionales de baja energía las que tienen la mayor interacción de Stark (como se indica en la Figura 1)y, por lo tanto, experimentan la mayor desviación. Como la técnica de deflexión no cambia la distribución de la población, sino que simplemente dispersa el haz existente, es esencial que los estados J bajos se pueblan inicialmente. Esto requiere una buena expansión supersónica desde la boquilla, produciendo un haz molecular frío con temperaturas típicas de alrededor de 1 K o menos 27.
La aplicabilidad general de la técnica de deflexión electrostática para la separación de conformadores o grupos depende de las diferencias en la relación masa-momento dipolar de las especies a separar. En el caso de diferentes conformadores, uno típicamente encuentra diferentes momentos dipolares debido a las diferentes orientaciones de los grupos funcionales dentro de una especie, mientras que para los cúmulos la selección de masa es altamente deseable para permitir la separación de estequiometrías específicas de cúmulos, así como isómeros de racimos de un tamaño dado. Hay varias opciones disponibles para aumentar la separación espacial. Un enfoque es aumentar el tiempo de interacción de las moléculas con el campo electrostático. Esto se puede lograr mediante el uso de un haz molecular más lento, por ejemplo, mediante el uso de gas de respaldo más pesado (porejemplo,neón, argón o criptón). Alternativamente, la fabricación de un deflector más largo aumentaría de manera similar el tiempo de interacción. Un enfoque diferente para aumentar la separación espacial lograda es el uso de campos de deflexión más altos, ya sea aumentando el voltaje aplicado o disminuyendo la brecha entre los dos electrodos. La dificultad para ambos métodos es el peligro de arco entre los dos electrodos, lo que podría dañar potencialmente los electrodos más allá de la reparación. La diferencia de potencial máxima que se puede aplicar de forma segura (en condiciones de vacío ultra alto) depende crucialmente de los materiales utilizados y la calidad del acabado superficial.
Mientras que diferentes conformadores de moléculas podrían ser estudiados previamente utilizando métodos espectroscópicos de alta resolución, utilizando sus distintos espectros de microondas36,IR o UV-Vis1,37, el método de deflexión electrostática presentado aquí permite la producción de un haz puro de una sola especie molecular. Otras geometrías de electrodos se pueden utilizar para seleccionar moléculas neutras o grupos, por ejemplo,el filtro cuadrupolo eléctrico o el desacelerador de gradiente alterno22,38-40. Estos dispositivos, sin embargo, son significativamente más grandes (>1 m) y mucho más complejos de fabricar e instalar. Además son extremadamente sensibles a la desalineación mecánica24. El deflector de campo estático de dos hilos presentado consiste en una geometría simple que se puede incorporar a las configuraciones de haz molecular existentes30,41-44.
Vemos las futuras aplicaciones de esta técnica en tres áreas principales. En primer lugar, el estudio de la reactividad específica conformer. Utilizando el deflector electrostático se puede crear un haz de muestra conformericamente puro, que posteriormente se puede utilizar para estudiar las propiedades químicas y las reactividades de un solo isómero estructural y tamaño de racimo.
En segundo lugar, estudios sistemáticos de solvatación de moléculas neutras. El uso del selector m/μ permite la creación de cúmulos moleculares con una estequiometría bien definida. El estudio sistemático de grupos moleculares de tamaño creciente permite el estudio de los efectos de la solvatación y trata de cerrar la brecha entre la fase condensada, en la que ocurre la mayor parte de la química, y la fase gaseosa, que permite estudios de alta resolución. Esta técnica está bien establecida para los iones moleculares45-48,pero la falta de selectividad de tamaño para los neutros ha limitado hasta ahora el estudio de la solvatación de moléculas neutras, por ejemplo,utilizando experimentos de imágenes ultrarrápidas.
En tercer lugar, el deflector electrostático permite la selección de la parte más fría del haz molecular, debido al mayor efecto Stark para estados cuánticos rotacionales de baja energía. Esto ayuda significativamente en los experimentos de alineación y orientación 1D y 3D17,26,27,49. Este es un requisito previo crucial para la próxima generación de experimentos de física molecular que extraen información del marco molecular de moléculas complejas, como los experimentos de imágenes orbitales moleculares2 odifracción 50.
El método de desviación electrostática presentado es novedoso, pero basado en ideas conceptualmente simples y bien establecidas, y conduce a la separación de especies dentro de un haz molecular por su relación de momento masa-dipolo, utilizando el efecto Stark. Permite la creación de haces moleculares fríos, conformeres y seleccionados en masa, lo que permite numerosas aplicaciones en física molecular y química física.

Los experimentos modernos de física molecular en fase gaseosa y química física a menudo utilizan expansiones supersónicas de moléculas diana para producir muestras moleculares rotacionalmente frías dentro de un haz molecular. Sin embargo, incluso a bajas temperaturas de rotación de 1 K, que se pueden lograr rutinariamente utilizando expansiones supersónicas, las moléculas grandes todavía pueden permanecer en múltiples conformaciones dentro del haz1. Del mismo modo, la producción de cúmulos moleculares en una fuente de haz no resulta en una sola especie, sino más bien en la formación de una "sopa de racimos", que contiene muchas estequiometrías de racimo diferentes, así como moléculas madre puras restantes. Esto dificulta el estudio de estos sistemas con técnicas novedosas como la obtención de imágenes de orbitales moleculares2,distribuciones angulares de fotoelectrones de marco molecular3-5 oelectrón 6-10 y difracción de rayos X11-13, ya que requieren muestras puras, consistentes y homogéneas en la fase gaseosa.
Si bien actualmente se dispone de varias metodologías para separar diferentes conformadores de especies cargadas en la fasegaseosa (por ejemplo, tubos de deriva de movilidadiónica 14,15)y los grupos cargados se separan fácilmente por su relación masa-carga, estas técnicas no son aplicables a las especies neutras. Recientemente hemos demostrado que estos problemas pueden ser superados con el uso de un dispositivo de deflexión electrostática16,17,permitiendo la separación de conformadores moleculares, así como grupos y la producción de haces moleculares rotacionalmente fríos.
El uso de la deflexión electrostática es una técnica clásica de haz molecular, cuyo origen se remonta a mucho tiempo atrás18,19. Las primeras ideas de utilizar la deflexión electrostática para la separación de estados cuánticos fueron introducidas por Stern en 192620. Mientras que los primeros experimentos se llevaron a cabo en moléculas pequeñas a altas temperaturas, demostramos la aplicación de esta técnica a moléculas polares grandes y grupos a bajas temperaturas16,21.
Las moléculas polares experimentan una fuerza dentro de un campo eléctrico no homogéneo(E)debido a las diferencias espaciales en la energía potencial. Esta fuerza <img fo:content-width="0.25in" src="/files/ftp_upload/51137/force.jpg" width="30px"> depende del momento dipolar efectivo, μeff, de la molécula y puede ser evaluada como
<img src="/files/ftp_upload/51137/51137eq1.jpg"> (1) 
Como diferentes conformadores moleculares típicamente poseen diferentes momentos dipolares y diferentes números de moléculas de solventes dentro de un cúmulo conducen a diferentes masas de cúmulos y momentos dipolares, estas especies experimentarán una aceleración diferente en presencia de un fuerte campo eléctrico no homogéneo. Por lo tanto, la fuerza resultante del efecto Stark de un campo eléctrico no homogéneo puede utilizarse para la separación de conformadores y estados cuánticos22. Esto se indica en la Figura 1, mostrandolas curvas stark calculadas para los estados de rotación J = 0,1,2 de los conformadores cis y trans de 3-fluorofenol, respectivamente. Esto conduce a grandes diferencias en μeff,como se muestra en las Figuras 1c y 1d,y por lo tanto una aceleración diferente es experimentada por los dos conformadores en campos eléctricos no homogéneos. Por lo tanto, un dispositivo de deflexión electrostática se puede utilizar como separador de relación masa/momento dipolar(m/μeff),en analogía con un espectrómetro de masas que actúa como un filtro de relación masa/carga(m/z)23.
Además, estas técnicas permiten la separación de estados cuánticos rotacionales24,25. Como los estados de rotación del suelo (curvas azules en las Figuras 1a y 1b)exhiben el mayor desplazamiento stark, estos se desviarán más y se pueden separar espacialmente de las moléculas en estados J más altos17. Por lo tanto, se puede seleccionar la parte más fría de un haz molecular, lo que ayuda significativamente en muchas aplicaciones, como la alineación y orientación de las moléculas diana17, 26-28.
En esta contribución mostramos cómo un dispositivo de deflexión electrostática se puede utilizar para separar espacialmente diferentes especies de grandes moléculas polares y grupos. Se presentan datos de ejemplo para la producción de un haz puro de un conformador individual y de un clúster soluto-disolvente de tamaño y relación bien definidos. Específicamente presentamos datos sobre 3-fluorofenol, donde se produce un haz puro que contiene sólo el trans conformador, y sobre los grupos de indol-agua, donde el indol (H2O)1 racimo se puede separar espacialmente del agua, indol, indol (H2O)2, etc.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="687">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Vacuum system</td>
			<td style="width:175px;">various, e.g. Pfeiffer Vacuum, Varian, Edwards, Leybold</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:177px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Dye laser system</td>
			<td style="width:175px;">various, e.g. Coherent, Spectra Physics, Syrah, LIOP-TEC, Radiant Dyes&#8230;</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Pulsed valve</td>
			<td style="width:175px;">Even-Lavie</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">High voltage power supply</td>
			<td style="width:175px;">eg. FUG</td>
			<td style="width:119px;">HCP 14-20000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Deflector</td>
			<td style="width:175px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Custom made</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Time-of-flight spectrometer</td>
			<td style="width:175px;">Jordan TOF</td>
			<td style="width:119px;">C-677</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">TOF power supply</td>
			<td style="width:175px;">Jordan TOF</td>
			<td style="width:119px;">D-603</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Focusing lens</td>
			<td style="width:175px;">e.g. Thorlabs</td>
			<td>LA4745</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Translation stage</td>
			<td style="width:175px;">e.g. Vision Lasertechnik</td>
			<td style="width:119px;">8MT167-25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Digitizer</td>
			<td style="width:175px;">e.g. Agilent</td>
			<td style="width:119px;">Acquiris DC440</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Digital delay generator</td>
			<td style="width:175px;">e.g. Stanford Systems</td>
			<td style="width:119px;">SRS DG645</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Molecular beam skimmer</td>
			<td style="width:175px;">Beam Dynamics Inc.</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>http://www.beamdynamicsinc.com/</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

spatial separation of molecular conformers and clusters

Los experimentos de física molecular en fase gaseosa y química física comúnmente utilizan expansiones supersónicas a través de válvulas pulsadas para la producción de haces moleculares fríos. Sin embargo, estos haces a menudo contienen múltiples conformadores y grupos, incluso a bajas temperaturas de rotación. Presentamos una metodología experimental que permite la separación espacial de estas partes constituyentes de una expansión de haz molecular. Usando un deflector eléctrico, el haz se separa por su relación de momento masa-dipolo, análoga a un doblador o a un espectrómetro de masas del sector eléctrico que dispersa espacialmente moléculas cargadas sobre la base de su relación masa-carga. Este deflector explota el efecto Stark en un campo eléctrico no homogéneo y permite la separación de especies individuales de moléculas y grupos polares neutros. Además, permite la selección de la parte más fría de un haz molecular, ya que los estados cuánticos rotacionales de baja energía generalmente experimentan la mayor desviación. Diferentes isómeros estructurales (conformadores) de una especie pueden ser separados debido a la diferente disposición de los grupos funcionales, lo que conduce a distintos momentos dipolares. Estos son explotados por el deflector electrostático para la producción de una muestra conformacionalmente pura a partir de un haz molecular. Del mismo modo, se pueden seleccionar estequiometrías específicas de cúmulos, ya que la masa y el momento dipolar de un cúmulo dado dependen del grado de solvatación alrededor de la molécula madre. Esto permite experimentos sobre tamaños y estructuras de conglomerados específicos, lo que permite el estudio sistemático de la solvatación de moléculas neutras.

La técnica de deflexión electrostática se ha aplicado con éxito a la separación de isómeros estructurales16 y cúmulos neutros21,así como a la producción de muestras moleculares seleccionadas en estado cuánticorotacional 31. Demostramos esto con resultados representativos para la separación de cis y trans conformrs de 3-fluorofenol, y el tamaño seleccionado indol (H2O)n grupos.
Los conformadores de 3-fluorofenol se separaron en un haz molecular de la expansión supersónica de 50 barras de helio. Las especies individuales fueron sondeadas a través de sus resonancias distintivas de REMPI alrededor de 272 nm32. Debido a su momento dipolar significativamente mayor (ver Figura 1), el transconformador experimenta una deflexión mayor después del paso a través del deflector y está espacialmente separado del conformador cis y del gas portador del haz.
Para caracterizar el haz molecular formado durante la expansión supersónica, se recoge un perfil temporal con el deflector electrostático apagado, como se muestra en la Figura 3. Para la comparación, también se muestra un perfil temporal de un haz de neón sembrado. Para el gas portador de helio observamos un ancho temporal de aproximadamente 12 μsec de ancho completo a la mitad del máximo (FWHM), típico para una expansión de una válvula Even-Lavie en estas condiciones de funcionamiento.
La distribución espacial del haz molecular se supervisa mediante la traslación del láser REMPI en relación con la dirección del haz molecular, y los perfiles espaciales se muestran en la Figura 4. Esto muestra la extensión espacial de los conformadores cis (traza roja) y trans (traza azul) en dos campos de deflexión diferentes, creados mediante la aplicación de una diferencia de potencial de 14 kV o 28 kV a través del deflector. Para la comparación, los perfiles libres de campos se muestran en ambas gráficas por las curvas magenta (cis) y cian (trans). Estos producen una anchura espacial del haz molecular de unos 2 mm y muestran que, sin el deflector, ambas especies se mezclan dentro del haz. En presencia de un campo de deflexión, el trans conformer sufre una deflexión significativamente mayor que el conformador cis y puede separarse eficazmente de las otras especies presentes en el haz, de modo que en una posición de y = 3 mm se crea una muestra trans pura y puede utilizarse para experimentos posteriores.
La separación de cúmulos se demuestra mediante la expansión supersónica del indol en un haz portador "húmedo" de helio que contiene trazas de agua, lo que lleva a la formación de cúmulos moleculares del tipo indolm(H2O)n. Según la literatura y los cálculos ab initio, el cúmulo de indol(H2O)1 tiene un momento dipolar significativamente mayor (4,4 D) que el indol puro (1,96 D), el agua (1,86 D) o el cúmulo de indol(H2O)2, y debe, por lo tanto, desviarse más21,33. Todas las especies que contienen indol se pueden sondear selectivamente a través de REMPI alrededor de 283 nm24,35,utilizando la transición de excitación electrónica de indol permitida de menor energía. Como este paso de excitación resonante implica diferentes frecuencias dependiendo de la solvatación del indol, la detección es totalmente selectiva de especies. Los perfiles espaciales del haz molecular se muestran en la Figura 5,estos se han registrado con una diferencia de potencial de 26 kV entre la varilla y el electrodo de canal y son totalmente selectivos de especies para indol (azul), indol (H2O)1 (rojo) e indol (H2O)2 (verde). Las líneas indican valores simulados; los detalles de los métodos de simulación numérica se pueden encontrar en la literatura17,21. Para la comparación, la curva negra muestra un perfil espacial libre de campo (deflector conectado a tierra). Como era de esperar, el grupo 1:1 de indol y agua experimenta la mayor desviación y en una posición de y = 2-3 mm se crea un haz puro de indol (H2O)1. Para resaltar el efecto del deflector en el perfil del haz molecular espacial, el recuadro de la Figura 5 muestra la densidad del haz molecular del indol (H2O)1 en función de la diferencia de potencial aplicada a través del deflector. Indica que a medida que aumenta la intensidad de campo, la parte más fría del haz molecular experimenta una deflexión cada vez mayor, mientras que los constituyentes más cálidos experimentan una separación espacial significativamente menor y cierta densidad permanece en la posición original. Esto además destaca la selección de la parte más fría del haz molecular.
<img alt="Figure 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51137/51137fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51137/51137fig1.jpg"> Figura 1. Las energías de Stark calculadas E (arriba) y los momentos dipolares efectivos μeff (abajo) para los conformeres cis y trans del 3-fluorofenol. La línea azul corresponde al estado fundamental de rotación J = 0, las líneas rojas a J = 1 y el verde a J = 2 estados. La deflexión experimentada es proporcional a μeff/m (Ecuación 1). Por lo tanto, los estados cuánticos de rotación más bajos, que exhiben mayores μeff,experimentan una deflexión más grande y, por lo tanto, se pueden separar. Igualmente, el μeff significativamente mayor para el transformador conduce a una mayor desviación espacial después del paso a través del deflector electrostático.
<img alt="Figure 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51137/51137fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51137/51137fig2.jpg"> Figura 2. La configuración experimental, que consiste en una válvula pulsada que crea una expansión supersónica de moléculas objetivo, un deflector electrostático y una región de detección con espectrómetro de masas de tiempo de vuelo. El recuadro muestra el campo eléctrico no homogéneo creado dentro del deflector para tensiones de ±13 kV aplicadas a la varilla y al canal, respectivamente. 
<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51137/51137fig2highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver la imagen más grande.</a>
<img alt="Figure 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51137/51137fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51137/51137fig3.jpg"> Figura 3. Perfil temporal del haz molecular para el gas portador de helio (a 380 μsec) y neón (a 826 μsec). La anchura temporal del haz es de aproximadamente el 3% y el 4% del tiempo total de vuelo para helio y neón, respectivamente.
<img alt="Figure 4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51137/51137fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51137/51137fig4.jpg"> Figura 4. Perfiles espaciales del haz molecular que contiene 3-fluorofenol, sondeado selectivamente para conformadores cis (rojo) y trans (azul), con el deflector con diferencias de potencial de (a) 14 kV y (b) 28 kV. Para la comparación, el perfil libre de campo (deflector a 0 kV) se muestra en ambas gráficas por trazas magenta y cian(cis y trans respectivamente).
<img alt="Figure 5" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51137/51137fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51137/51137fig5.jpg"> Figura 5. Perfiles espaciales de indol (azul), indol(H2O)1 (rojo) e indol(H2O)2 (verde) para un potencial deflector de 28 kV. Para la comparación se muestra el perfil libre de campo de indol (negro). Las líneas sólidas en el panel principal indican simulaciones. Se muestran los perfiles espaciales medidos para indol(H2O)1 en varias diferencias de potencial aplicadas a través del deflector.

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Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Presentamos una técnica que permite la separación espacial de diferentes conformadores o clusters presentes en un haz molecular. Un deflector electrostático se utiliza para separar especies por su relación de momento masa-dipolo, lo que lleva a la producción de conjuntos en fase gaseosa de un solo conformer o estequiometría de racimo.

Separación espacial de conformadores moleculares y cúmulos

Gas-phase molecular physics and physical chemistry experiments commonly use supersonic expansions through pulsed valves for the production of cold ...

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Molecular Beam Mass Spectrometry With Tunable Vacuum Ultraviolet (VUV) Synchrotron Radiation

Tunable soft ionization coupled to mass spectroscopy is a powerful method to investigate isolated molecules, complexes and clusters and their spectroscopy and dynamics1-4. Fundamental studies of photoionization processes of biomolecules provide information about the electronic structure of these systems. Furthermore determinations of ionization energies and other properties of biomolecules in the gas phase are not trivial, and these experiments provide a platform to generate these data. We have developed a thermal vaporization technique coupled with supersonic molecular beams that provides a gentle way to transport these species into the gas phase. Judicious combination of source gas and temperature allows for formation of dimers and higher clusters of the DNA bases. The focus of this particular work is on the effects of non-covalent interactions, i.e., hydrogen bonding, stacking, and electrostatic interactions, on the ionization energies and proton transfer of individual biomolecules, their complexes and upon micro-hydration by water1, 5-9.
We have performed experimental and theoretical characterization of the photoionization dynamics of gas-phase uracil and 1,3-dimethyluracil dimers using molecular beams coupled with synchrotron radiation at the Chemical Dynamics Beamline10 located at the Advanced Light Source and the experimental details are visualized here. This allowed us to observe the proton transfer in 1,3-dimethyluracil dimers, a system with pi stacking geometry and with no hydrogen bonds1. Molecular beams provide a very convenient and efficient way to isolate the sample of interest from environmental perturbations which in return allows accurate comparison with electronic structure calculations11, 12. By tuning the photon energy from the synchrotron, a photoionization efficiency (PIE) curve can be plotted which informs us about the cationic electronic states. These values can then be compared to theoretical models and calculations and in turn, explain in detail the electronic structure and dynamics of the investigated species 1, 3.

Molecular Beam Mass Spectrometry With Tunable Vacuum Ultraviolet VUV Synchrotron Radiation

A molecular beam coupled to tunable vacuum ultraviolet photoionization mass spectrometer at a synchrotron provides a convenient tool to explore the electronic structure of isolated gas phase molecules and clusters. Proton transfer mechanisms in DNA base dimers were elucidated with this technique.

Haces Moleculares Espectrometría de Masas con luz ultravioleta sintonizable vacío Radiación (VUV) Sincrotrón

Tunable soft ionization coupled to mass spectroscopy is a powerful method to investigate isolated molecules, complexes and clusters and their spectroscopy ...

Investigación

Ingeniería

Concurrent Quantitative Conductivity and Mechanical Properties Measurements of Organic Photovoltaic Materials using AFM

Organic photovoltaic (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale inhomogeneity of OPV materials affects performance of photovoltaic devices. Thus, understanding of spatial variations in composition as well as electrical properties of OPV materials is of paramount importance for moving PV technology forward.1,2 In this paper, we describe a protocol for quantitative measurements of electrical and mechanical properties of OPV materials with sub-100 nm resolution. Currently, materials properties measurements performed using commercially available AFM-based techniques (PeakForce, conductive AFM) generally provide only qualitative information. The values for resistance as well as Young's modulus measured using our method on the prototypical ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM system correspond well with literature data. The P3HT:PC61BM blend separates onto PC61BM-rich and P3HT-rich domains. Mechanical properties of PC61BM-rich and P3HT-rich domains are different, which allows for domain attribution on the surface of the film. Importantly, combining mechanical and electrical data allows for correlation of the domain structure on the surface of the film with electrical properties variation measured through the thickness of the film.

Organic photovoltaic (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale inhomogeneity of OPV materials affects performance of photovoltaic devices. In this paper, we describe a protocol for quantitative measurements of electrical and mechanical properties of OPV materials with sub-100 nm resolution.

Conductividad concurrente cuantitativa y Medidas propiedades mecánicas de los materiales fotovoltaicos orgánicos utilizando AFM

Organic photovoltaic  (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale  inhomogeneity of OPV materials affects performance ...

Ultrahigh Density Array of Vertically Aligned Small-molecular Organic Nanowires on Arbitrary Substrates

In recent years &pi;-conjugated organic semiconductors have emerged as the active material in a number of diverse applications including large-area, low-cost displays, photovoltaics, printable and flexible electronics and organic spin valves. Organics allow (a) low-cost, low-temperature processing and (b) molecular-level design of electronic, optical and spin transport characteristics. Such features are not readily available for mainstream inorganic semiconductors, which have enabled organics to carve a niche in the silicon-dominated electronics market. The first generation of organic-based devices has focused on thin film geometries, grown by physical vapor deposition or solution processing. However, it has been realized that organic nanostructures can be used to enhance performance of above-mentioned applications and significant effort has been invested in exploring methods for organic nanostructure fabrication.	
A particularly interesting class of organic nanostructures is the one in which vertically oriented organic nanowires, nanorods or nanotubes are organized in a well-regimented, high-density array. Such structures are highly versatile and are ideal morphological architectures for various applications such as chemical sensors, split-dipole nanoantennas, photovoltaic devices with radially heterostructured "core-shell" nanowires, and memory devices with a cross-point geometry. Such architecture is generally realized by a template-directed approach. In the past this method has been used to grow metal and inorganic semiconductor nanowire arrays. More recently &pi;-conjugated polymer nanowires have been grown within nanoporous templates. However, these approaches have had limited success in growing nanowires of technologically important &pi;-conjugated small molecular weight organics, such as tris-8-hydroxyquinoline aluminum (Alq3), rubrene and methanofullerenes, which are commonly used in diverse areas including organic displays, photovoltaics, thin film transistors and spintronics.	
Recently we have been able to address the above-mentioned issue by employing a novel "centrifugation-assisted" approach. This method therefore broadens the spectrum of organic materials that can be patterned in a vertically ordered nanowire array. Due to the technological importance of Alq3, rubrene and methanofullerenes, our method can be used to explore how the nanostructuring of these materials affects the performance of aforementioned organic devices. The purpose of this article is to describe the technical details of the above-mentioned protocol, demonstrate how this process can be extended to grow small-molecular organic nanowires on arbitrary substrates and finally, to discuss the critical steps, limitations, possible modifications, trouble-shooting and future applications.

We report a simple method for fabricating an ultrahigh density array of vertically ordered small-molecular organic nanowires. This method allows for synthesis of complex heterostructured hybrid nanowire geometries, which can be inexpensively grown on arbitrary substrates. These structures have potential applications in organic electronics, optoelectronics, chemical sensing, photovoltaics and spintronics.

Ultra Alta Densidad conjunto de nanocables orgánicos pequeña moleculares verticalmente alineados sobre sustratos arbitrarias

In  recent years &pi;-conjugated  organic semiconductors have emerged as the active material in a number of  diverse applications including large-area, ...

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement is used. Here we operate a Nd:YAG laser at a frequency of 10 Hz at the fundamental wavelength of 1,064 nm. The 14 nsec pulses with anenergy of 190 mJ/pulse are focused to a 50 &#181;m spot size to generate a plasma from optical breakdown or laser ablation in air. The microplasma is imaged onto the entrance slit of a 0.6 m spectrometer, and spectra are recorded using an 1,800 grooves/mm grating an intensified linear diode array and optical multichannel analyzer (OMA) or an ICCD. Of interest are Stark-broadened atomic lines of the hydrogen Balmer series to infer electron density. We also elaborate on temperature measurements from diatomic emission spectra of aluminum monoxide (AlO), carbon (C2), cyanogen (CN), and titanium monoxide (TiO).
The experimental procedures include wavelength and sensitivity calibrations. Analysis of the recorded molecular spectra is accomplished by the fitting of data with tabulated line strengths. Furthermore, Monte-Carlo type simulations are performed to estimate the error margins. Time-resolved measurements are essential for the transient plasma commonly encountered in LIBS.

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

Time-resolved atomic and diatomic molecular species are measured using LIBS. The spectra are collected at various time delays following the generation of optical breakdown plasma with Nd:YAG laser radiation&#160;and are analyzed to infer electron density and temperature.

Medición y Análisis de hidrógeno atómico y molecular diatómico AlO, C<sub&gt; 2</sub&gt;, CN, y el TiO Spectra siguiente desglose óptica inducida por láser

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement ...

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The characteristics of the C84-embedded Si surface, such as atomic resolution topography, local electronic density of states, band gap energy, field emission properties, nanomechanical stiffness, and surface magnetism, were examined using a variety of surface analysis techniques under ultra, high vacuum (UHV) conditions as well as in an atmospheric system. Experimental results demonstrate the high uniformity of the C84-embedded Si surface fabricated using a controlled self-assembly nanotechnology mechanism, represents an important development in the application of field emission display (FED), optoelectronic device fabrication, MEMS cutting tools, and in efforts to find a suitable replacement for carbide semiconductors. Molecular dynamics (MD) method with semi-empirical potential can be used to study the nanoindentation of C84-embedded Si substrate. A detailed description for performing MD simulation is presented here. Details for a comprehensive study on mechanical analysis of MD simulation such as indentation force, Young&#39;s modulus, surface stiffness, atomic stress, and atomic strain are included. The atomic stress and von-Mises strain distributions of the indentation model can be calculated to monitor deformation mechanism with time evaluation in atomistic level.

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

This paper reports the nanomaterial fabrication of a fullerene Si substrate inspected and verified by nanomeasurements and molecular dynamic simulation.

Sondeo de C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si Sustrato Uso del análisis de microscopio de sonda y Dinámica Molecular

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The ...

Nanostructured Ag-zeolite Composites as Luminescence-based Humidity Sensors

Small silver clusters confined inside zeolite matrices have recently emerged as a novel type of highly luminescent materials. Their emission has high external quantum efficiencies (EQE) and spans the whole visible spectrum. It has been recently reported that the UV excited luminescence of partially Li-exchanged sodium Linde type A zeolites [LTA(Na)] containing luminescent silver clusters can be controlled by adjusting the water content of the zeolite. These samples showed a dynamic change in their emission color from blue to green and yellow upon an increase of the hydration level of the zeolite, showing the great potential that these materials can have as luminescence-based humidity sensors at the macro and micro scale. Here, we describe the detailed procedure to fabricate a humidity sensor prototype using silver-exchanged zeolite composites. The sensor is produced by suspending the luminescent Ag-zeolites in an aqueous solution of polyethylenimine (PEI) to subsequently deposit a film of the material onto a quartz plate. The coated plate is subjected to several hydration/dehydration cycles to show the functionality of the sensing film.

A protocol for the synthesis of moisture-responsive luminescent Ag-zeolite composites is described in this report.

Compuestos nanoestructurados Ag-zeolita como sensores de humedad basados ​​en luminiscencia

Small silver clusters confined inside zeolite matrices have recently emerged as a novel type of highly luminescent materials. Their emission has high ...

Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy of N-polar InAlN-barrier High-electron-mobility Transistors

Plasma-assisted molecular beam epitaxy is well suited for the epitaxial growth of III-nitride thin films and heterostructures with smooth, abrupt interfaces required for high-quality high-electron-mobility transistors (HEMTs). A procedure is presented for the growth of N-polar InAlN HEMTs, including wafer preparation and growth of buffer layers, the InAlN barrier layer, AlN and GaN interlayers and the GaN channel. Critical issues at each step of the process are identified, such as avoiding Ga accumulation in the GaN buffer, the role of temperature on InAlN compositional homogeneity, and the use of Ga flux during the AlN interlayer and the interrupt prior to GaN channel growth. Compositionally homogeneous N-polar InAlN thin films are demonstrated with surface root-mean-squared roughness as low as 0.19 nm and InAlN-based HEMT structures are reported having mobility as high as 1,750 cm2/V&#8729;sec for devices with a sheet charge density of 1.7 x 1013 cm-2.

Molecular beam epitaxy is used to grow N-polar InAlN-barrier high-electron-mobility transistors (HEMTs). Control of the wafer preparation, layer growth conditions and epitaxial structure results in smooth, compositionally homogeneous InAlN layers and HEMTs with mobility as high as 1,750 cm2/V&#8729;sec.

Asistida por plasma Molecular Beam epitaxia de N-polar InAlN de barrera de transistores de alta movilidad de electrones

Plasma-assisted molecular beam epitaxy is well suited for the epitaxial growth of III-nitride thin films and heterostructures with smooth, abrupt ...

An Analog Macroscopic Technique for Studying Molecular Hydrodynamic Processes in Dense Gases and Liquids

An analog, macroscopic method for studying molecular-scale hydrodynamic processes in dense gases and liquids is described. The technique applies a standard fluid dynamic diagnostic, particle image velocimetry (PIV), to measure: i) velocities of individual particles (grains), extant on short, grain-collision time-scales, ii) velocities of systems of particles, on both short collision-time- and long, continuum-flow-time-scales, iii) collective hydrodynamic modes known to exist in dense molecular fluids, and iv) short- and long-time-scale velocity autocorrelation functions, central to understanding particle-scale dynamics in strongly interacting, dense fluid systems. The basic system is composed of an imaging system, light source, vibrational sensors, vibrational system with a known media, and PIV and analysis software. Required experimental measurements and an outline of the theoretical tools needed when using the analog technique to study molecular-scale hydrodynamic processes are highlighted. The proposed technique provides a relatively straightforward alternative to photonic and neutron beam scattering methods traditionally used in molecular hydrodynamic studies.

An experimentally accessible analog method for studying molecular hydrodynamic processes in dense fluids is presented. The technique uses particle image velocimetry of vibrated, high-restitution grain piles and allows direct, macroscopic observation of dynamical processes known and predicted to exist in strongly interacting, high density gases and liquids.

Una técnica análoga macroscópica para el estudio de procesos hidrodinámicos Molecular en Gases densos y líquidos

An analog, macroscopic method for studying molecular-scale hydrodynamic processes in dense gases and liquids is described. The technique applies a ...

Fabrication of Schottky Diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure Grown by Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy

Heterostructure field effect transistors (HFETs) utilizing a two dimensional electron gas (2DEG) channel have a great potential for high speed device applications. Zinc oxide (ZnO), a semiconductor with a wide bandgap (3.4 eV) and high electron saturation velocity has gained a great deal of attention as an attractive material for high speed devices. Efficient gate modulation, however, requires high-quality Schottky contacts on the barrier layer. In this article, we present our Schottky diode fabrication procedure on Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructure with high density 2DEG which is achieved through strain modulation and incorporation of a few percent Be into the MgZnO-based barrier during growth by molecular beam epitaxy (MBE). To achieve high crystalline quality, nearly lattice-matched high-resistivity GaN templates grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) are used as the substrate for the subsequent MBE growth of the oxide layers. To obtain the requisite Zn-polarity, careful surface treatment of GaN templates and control over the VI/II ratio during the growth of low temperature ZnO nucleation layer are utilized. Ti/Au electrodes serve as Ohmic contacts, and Ag electrodes deposited on the O2 plasma pretreated BeMgZnO surface are used for Schottky contacts.

Attainment of high-quality Schottky contacts is imperative for achieving efficient gate modulation in heterostructure field effect transistors (HFETs). We present the fabrication methodology and characteristics of Schottky diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructures with high-density two dimensional electron gas (2DEG), grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on GaN templates.

Fabricación de diodos de Schottky en Zn-polar heteroestructura de BeMgZnO/ZnO por Epitaxy de viga Molecular asistida por Plasma

Heterostructure field effect transistors (HFETs) utilizing a two dimensional electron gas (2DEG) channel have a great potential for high speed device ...

Assembling Molecular Shuttles Powered by Reversibly Attached Kinesins

This protocol describes how to create kinesin-powered molecular shuttles with a weak and reversible attachment of the kinesins to the surface. In contrast to previous protocols, in this system, microtubules recruit kinesin motor proteins from solution and place them on a surface. The kinesins will, in turn, facilitate the gliding of the microtubules along the surface before desorbing back into the bulk solution, thus being available to be recruited again. This continuous assembly and disassembly leads to striking dynamic behavior in the system, such as the formation of temporary kinesin trails by gliding microtubules.
Several experimental methods will be described throughout this experiment: UV-Vis spectrophotometry will be used to determine the concentration of stock solutions of reagents, coverslips will first be ozone and ultraviolet (UV) treated and then silanized before being mounted into flow cells, and total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy will be used to simultaneously image kinesin motors and microtubule filaments.

We present a protocol to build molecular shuttles, where surface-adhered kinesin motor proteins propel dye-labelled microtubules. Weak interactions of the kinesins with the surface enables their reversible attachment to it. This creates a nanoscale system which exhibits dynamic assembly and disassembly of its components while retaining its functionality.

Montaje de lanzaderas moleculares Powered by reversible conectado Kinesins

This protocol describes how to create kinesin-powered molecular shuttles with a weak and reversible attachment of the kinesins to the surface. In contrast ...