Topical Review: Molecular reaction and solvation visualized by time-resolved X-ray solution scattering: Structure, dynamics, and their solvent dependence

Structural Dynamics

Volumn 1, Issue 1, 2014, Pages

  Kim, Kyung Hwan ^a,b   Kim, Jeongho ^c   Lee, Jae Hyuk ^b   Ihee, Hyotcherl ^a,b  

^a Institute for Basic Science   (South Korea)

^b Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)   (South Korea)

^c Inha University   (South Korea)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CHEMICAL REACTIONS; ELECTRONS; EXCITED STATES; FREE ELECTRON LASERS; GROUND STATE; SOLVENTS;

EXCITATION WAVELENGTH; GEMINATE RECOMBINATION; GROUND-STATE STRUCTURES; MOLECULAR IODINE; MOLECULAR REACTIONS; SOLUTION SCATTERINGS; SOLVENT DEPENDENCE; X-RAY FREE ELECTRON LASERS;

X RAYS;

EID: 84911998297     PISSN: None     EISSN: 23297778     Source Type: Journal    
DOI: 10.1063/1.4865234     Document Type: Article

References (140)

1. G. R. Fleming, Annu. Rev. Phys. Chem. 37, 81 (1986).
2. N. F. Scherer, R. J. Carlson, A. Matro, M. Du, A. J. Ruggiero, V. Romero-Rochin, J. A. Cina, G. R. Fleming, and S. A. Rice, J. Chem. Phys. 95, 1487 (1991).
3. C. E. Crespo-Hernandez, B. Cohen, and B. Kohler, Nature 436, 1141 (2005).
4. D. Polli, P. Altoe, O. Weingart, K. M. Spillane, C. Manzoni, D. Brida, G. Tomasello, G. Orlandi, P. Kukura, R. A. Mathies, M. Garavelli, and G. Cerullo, Nature 467, 440 (2010).
5. J. Herbst, K. Heyne, and R. Diller, Science 297, 822 (2002).
6. E. T. J. Nibbering, H. Fidder, and E. Pines, Annu. Rev. Phys. Chem. 56, 337 (2005).
7. W. J. Schreier, T. E. Schrader, F. O. Koller, P. Gilch, C. E. Crespo-Hernández, V. N. Swaminathan, T. Carell, W. Zinth, and B. Kohler, Science 315, 625 (2007).
8. J. M. Friedman, D. L. Rousseau, and M. R. Ondrias, Annu. Rev. Phys. Chem. 33, 471 (1982).
9. H. Hamaguchi and T. L. Gustafson, Annu. Rev. Phys. Chem. 45, 593 (1994).
10. P. Kukura, D. W. McCamant, S. Yoon, D. B. Wandschneider, and R. A. Mathies, Science 310, 1006 (2005).
11. P. Kukura, D. W. McCamant, and R. A. Mathies, Annu. Rev. Phys. Chem. 58, 461 (2007).
12. D. M. Jonas, Annu. Rev. Phys. Chem. 54, 425 (2003).
13. T. Brixner, T. Mančal, I. V. Stiopkin, and G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 121, 4221 (2004).
14. M. Cho, Chem. Rev. 108, 1331 (2008).
15. C. Consani, G. Auböck, F. van Mourik, and M. Chergui, Science 339, 1586 (2013).
16. B. A. West and A. M. Moran, J. Phys. Chem. Lett. 3, 2575 (2012).
17. M. C. Asplund, M. T. Zanni, and R. M. Hochstrasser, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97, 8219 (2000).
18. P. Hamm, J. Helbing, and J. Bredenbeck, Annu. Rev. Phys. Chem. 59, 291 (2008).
19. M. D. Fayer, Annu. Rev. Phys. Chem. 60, 21 (2009).
20. C. H. B. Cruz, R. L. Fork, W. H. Knox, and C. V. Shank, Chem. Phys. Lett. 132, 341 (1986).
21. T. J. Kang, J. Yu, and M. Berg, J. Chem. Phys. 94, 2413 (1991).
22. H. Murakami, S. Kinoshita, Y. Hirata, T. Okada, and N. Mataga, J. Chem. Phys. 97, 7881 (1992).
23. M. A. Kahlow, W. o. Jarzȩba, T. J. Kang, and P. F. Barbara, J. Chem. Phys. 90, 151 (1989).
24. R. Jimenez, G. R. Fleming, P. V. Kumar, and M. Maroncelli, Nature 369, 471 (1994).
25. M. L. Horng, J. A. Gardecki, A. Papazyan, and M. Maroncelli, J. Phys. Chem. 99, 17311 (1995).
26. L. Reynolds, J. A. Gardecki, S. J. V. Frankland, M. L. Horng, and M. Maroncelli, J. Phys. Chem. 100, 10337 (1996).
27. G. R. Fleming and M. Cho, Annu. Rev. Phys. Chem. 47, 109 (1996).
28. T. Joo, Y. Jia, J.-Y. Yu, M. J. Lang, and G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 104, 6089 (1996).
29. W. P. de Boeij, M. S. Pshenichnikov, and D. A. Wiersma, Annu. Rev. Phys. Chem. 49, 99 (1998).
30. C. J. Bardeen, S. J. Rosenthal, and C. V. Shank, J. Phys. Chem. A 103, 10506 (1999).
31. D. S. Larsen, K. Ohta, and G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 111, 8970 (1999).
32. A. M. Moran, S. Park, and N. F. Scherer, Chem. Phys. 341, 344 (2007).
33. S. Park, J. Kim, and N. F. Scherer, Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 8116 (2012).
34. D. F. Underwood and D. A. Blank, J. Phys. Chem. A 107, 956 (2003).
35. D. F. Underwood and D. A. Blank, J. Phys. Chem. A 109, 3295 (2005).
36. H. Ihee, M. Lorenc, T. K. Kim, Q. Kong, M. Cammarata, J. H. Lee, S. Bratos, and M. Wulff, Science 309, 1223 (2005).
37. A. Plech, M.Wulff, S.Bratos, F.Mirloup, R. Vuilleumier, F.Schotte, and P.A.Anfinrud, Phys. Rev. Lett. 92, 125505 (2004).
38. J. Davidsson, J. Poulsen, M. Cammarata, P. Georgiou, R. Wouts, G. Katona, F. Jacobson, A. Plech, M. Wulff, G. Nyman, and R. Neutze, Phys. Rev. Lett. 94, 245503 (2005).
39. T. K. Kim, M. Lorenc, J. H. Lee, M. Russo, J. Kim, M. Cammarata, Q. Kong, S. Noel, A. Plech, M. Wulff, and H. Ihee, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 9410 (2006).
40. M. Cammarata, M. Lorenc, T. K. Kim, J. H. Lee, Q. Kong, E. Pontecorvo, M. Lo Russo, G. Schiro, A. Cupane, M. Wulff, and H. Ihee, J. Chem. Phys. 124, 124504 (2006).
41. J. H. Lee, K. H. Kim, T. K. Kim, Y. Lee, and H. Ihee, J. Chem. Phys. 125, 174504 (2006).
42. Q. Kong, M. Wulff, J. H. Lee, S. Bratos, and H. Ihee, J. Am. Chem. Soc. 129, 13584 (2007).
43. J. H. Lee, J. Kim, M. Cammarata, Q. Kong, K. H. Kim, J. Choi, T. K. Kim, M. Wulff, and H. Ihee, Angew. Chem. Int. Ed. 47, 1047 (2008).
44. J. H. Lee, T. K. Kim, J. Kim, Q. Kong, M. Cammarata, M. Lorenc, M. Wulff, and H. Ihee, J. Am. Chem. Soc. 130, 5834 (2008).
45. Q. Kong, J. H. Lee, A. Plech, M. Wulff, H. Ihee, and M. H. J. Koch, Angew. Chem. Int. Ed. 47, 5550 (2008).
46. M. Cammarata, M. Levantino, F. Schotte, P. A. Anfinrud, F. Ewald, J. Choi, A. Cupane, M. Wulff, and H. Ihee, Nat. Methods 5, 881 (2008).
47. H. Ihee, Acc. Chem. Res. 42, 356 (2009).
48. T. K. Kim, J. H. Lee, M. Wulff, Q. Kong, and H. Ihee, ChemPhysChem 10, 1958 (2009).
49. K. Haldrup, M. Christensen, M. Cammarata, Q. Kong, M. Wulff, S. O. Mariager, K. Bechgaard, R. Feidenhans'l, N. Harrit, and M. M. Nielsen, Angew. Chem. Int. Ed. 48, 4180 (2009).
50. M. Christensen, K. Haldrup, K. Bechgaard, R. Feidenhans'l, Q. Kong, M. Cammarata, M. Lo Russo, M. Wulff, N. Harrit, and M. M. Nielsen, J. Am. Chem. Soc. 131, 502 (2009).
51. Q. Kong, J. H. Lee, M. Lo Russo, T. K. Kim, M. Lorenc, M. Cammarata, S. Bratos, T. Buslaps, V. Honkimaki, H. Ihee, and M. Wulff, Acta Cryst. A 66, 252 (2010).
52. Q. Kong, J. H. Lee, K. H. Kim, J. Kim, M. Wulff, H. Ihee, and M. H. Koch, J. Am. Chem. Soc. 132, 2600 (2010).
53. S. Jun, J. H. Lee, J. Kim, K. H. Kim, Q. Kong, T. K. Kim, M. Lo Russo, M. Wulff, and H. Ihee, Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 11536 (2010).
54. S. Westenhoff, E. Malmerberg, D. Arnlund, L. Johansson, E. Nazarenko, M. Cammarata, J. Davidsson, V. Chaptal, J. Abramson, G. Katona, A. Menzel, and R. Neutze, Nat. Methods 7, 775 (2010).
55. H. S. Cho, N. Dashdorj, F. Schotte, T. Graber, R. Henning, and P. Anfinrud, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 7281 (2010).
56. J. Kim, K. H. Kim, J. G. Kim, T. W. Kim, Y. Kim, and H. Ihee, J. Phys. Chem. Lett. 2, 350 (2011).
57. J. Kim, J. H. Lee, J. Kim, S. Jun, K. H. King, T. W. Kim, M. Wulff, and H. Ihee, J. Phys. Chem. A 116, 2713 (2012).
58. M. Cammarata, M. Levantino, M. Wulff, and A. Cupane, J. Mol. Biol. 400, 951 (2010).
59. T. W. Kim, J. H. Lee, J. Choi, K. H. Kim, L. J. van Wilderen, L. Guerin, Y. Kim, Y. O. Jung, C. Yang, J. Kim, M. Wulff, J. J. van Thor, and H. Ihee, J. Am. Chem. Soc. 134, 3145 (2012).
60. J. H. Lee, M. Wulff, S. Bratos, J. Petersen, L. Guerin, J.-C. Leicknam, M. Cammarata, Q. Kong, J. Kim, K. B. Møller, and H. Ihee, J. Am. Chem. Soc. 135, 3255 (2013).
61. K. H. Kim, H. Ki, K. Y. Oang, S. Nozawa, T. Sato, J. Kim, T. K. Kim, J. Kim, S.-i. Adachi, and H. Ihee, ChemPhysChem 14, 3687 (2013).
62. L. Salassa, E. Borfecchia, T. Ruiu, C. Garino, D. Gianolio, R. Gobetto, P. J. Sadler, M. Cammarata, M. Wulff, and C. Lamberti, Inorg. Chem. 49, 11240 (2010).
63. J. Vincent, M. Andersson, M. Eklund, A. B. Wohri, M. Odelius, E. Malmerberg, Q. Y. Kong, M. Wulff, R. Neutze, and J. Davidsson, J. Chem. Phys. 130, 154502 (2009).
64. K. Haldrup, T. Harlang, M. Christensen, A. Dohn, T. B. van Driel, K. S. Kjaer, N. Harrit, J. Vibenholt, L. Guerin, M. Wulff, and M. M. Nielsen, Inorg. Chem. 50, 9329 (2011).
65. E. Malmerberg, Z. Omran, J. S. Hub, X. W. Li, G. Katona, S. Westenhoff, L. C. Johansson, M. Andersson, M. Cammarata, M. Wulff, D. van der Spoel, J. Davidsson, A. Specht, and R. Neutze, Biophys. J. 101, 1345 (2011).
66. S. Ibrahimkutty, P. Wagener, A. Menzel, A. Plech, and S. Barcikowski, Appl. Phys. Lett. 101, 103104 (2012).
67. K. Haldrup, G. Vanko, W. Gawelda, A. Galler, G. Doumy, A. M. March, E. P. Kanter, A. Bordage, A. Dohn, T. B. van Driel, K. S. Kjaer, H. T. Lemke, S. E. Canton, J. Uhlig, V. Sundstrom, L. Young, S. H. Southworth, M. M. Nielsen, and C. Bressler, J. Phys. Chem. A 116, 9878 (2012).
68. S. Ibrahimkutty, J. Kim, M. Cammarata, F. Ewald, J. Choi, H. Ihee, and A. Plech, ACS Nano 5, 3788 (2011).
69. A. Plech, V. Kotaidis, A. Siems, and M. Sztucki, Phys. Chem. Chem. Phys. 10, 3888 (2008).
70. A. Spilotros, M. Levantino, G. Schiro, M. Cammarata, M. Wulff, and A. Cupane, Soft Matter 8, 6434 (2012).
71. M. Andersson, E. Malmerberg, S. Westenhoff, G. Katona, M. Cammarata, A. B. Wohri, L. C. Johansson, F. Ewald, M. Eklund, M. Wulff, J. Davidsson, and R. Neutze, Structure 17, 1265 (2009).
72. R. Neutze, R. Wouts, S. Techert, J. Davidsson, M. Kocsis, A. Kirrander, F. Schotte, and N. Wulff, Phys. Rev. Lett. 87, 195508 (2001).
73. K. H. Kim, S. Muniyappan, K. Y. Oang, J. G. Kim, S. Nozawa, T. Sato, S. Y. Koshihara, R. Henning, I. Kosheleva, H. Ki, Y. Kim, T. W. Kim, J. Kim, S. Adachi, and H. Ihee, J. Am. Chem. Soc. 134, 7001 (2012).
74. D. E. Moilanen, D. Wong, D. E. Rosenfeld, E. E. Fenn, and M. D. Fayer, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 375 (2009).
75. I. A. Heisler and S. R. Meech, Science 327, 857 (2010).
76. D. Laage, G. Stirnemann, F. Sterpone, R. Rey, and J. T. Hynes, Annu. Rev. Phys. Chem. 62, 395 (2011).
77. U. Banin, A. Waldman, and S. Ruhman, J. Chem. Phys. 96, 2416 (1992).
78. U. Banin and S. Ruhman, J. Chem. Phys. 98, 4391 (1993).
79. T. Kuhne and P. Vohringer, J. Chem. Phys. 105, 10788 (1996).
80. A. E. Johnson and A. B. Myers, J. Phys. Chem. 100, 7778 (1996).
81. T. Kuhne, R. Kuster, and P. Vohringer, Chem. Phys. 233, 161 (1998).
82. T. Kuhne and P. Vohringer, J. Phys. Chem. A 102, 4177 (1998).
83. E. Gershgoren, U. Banin, and S. Ruhman, J. Phys. Chem. A 102, 9 (1998).
84. L. Zhu, K. Takahashi, M. Saeki, T. Tsukuda, and T. Nagata, Chem. Phys. Lett. 350, 233 (2001).
85. H. Sato, F. Hirata, and A. B. Myers, J. Phys. Chem. A 102, 2065 (1998).
86. C. J. Margulis, D. F. Coker, and R. M. Lynden-Bell, Chem. Phys. Lett. 341, 557 (2001).
87. C. J. Margulis, D. F. Coker, and R. M. Lynden-Bell, J. Chem. Phys. 114, 367 (2001).
88. F. S. Zhang and R. M. Lynden-Bell, Phys. Rev. Lett. 90, 185505 (2003).
89. P. W. Anderson, Science 177, 393 (1972).
90. G. Z. Liu and G. Cheng, Phys. Rev. B 65, 132513 (2002).
91. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Statistical Physics (Pergamon Press, Oxford, 1969).
92. Y. Ogawa, O. Takahashi, and O. Kikuchi, J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 424, 285 (1998).
93. T. Koslowski and P. Vohringer, Chem. Phys. Lett. 342, 141 (2001).
94. S. Westenhoff, E. Nazarenko, E. Malmerberg, J. Davidsson, G. Katona, and R. Neutze, Acta Crystallogr. A 66, 207 (2010).
95. H. Sakane, T. Mitsui, H. Tanida, and I. Watanabe, J. Synchrotron Radiat. 8, 674 (2001).
96. P. Lindqvist-Reis, K. Lamble, S. Pattanaik, I. Persson, and M. Sandstrom, J. Phys. Chem. B 104, 402 (2000).
97. V. Vchirawongkwin, B. M. Rode, and I. Persson, J. Phys. Chem. B 111, 4150 (2007).
98. M. Matsugami, T. Takamuku, T. Otomo, and T. Yamaguchi, J. Phys. Chem. B 110, 12372 (2006).
99. T. Takamuku, H. Maruyama, S. Kittaka, S. Takahara, and T. Yamaguchi, J. Phys. Chem. B 109, 892 (2005).
100. T. Takamuku, Y. Tsutsumi, M. Matsugami, and T. Yamaguchi, J. Phys. Chem. B 112, 13300 (2008).
101. K. Fujii, R. Kanzaki, T. Takamuku, Y. Kameda, S. Kohara, M. Kanakubo, M. Shibayama, S. Ishiguro, and Y. Umebayashi, J. Chem. Phys. 135, 244502 (2011).
102. D. Xiao, L. G. Hines, S. F. Li, R. A. Bartsch, E. L. Quitevis, O. Russina, and A. Triolo, J. Phys. Chem. B 113, 6426 (2009).
103. B. L. Bhargava, M. L. Klein, and S. Balasubramanian, ChemPhysChem 9, 67 (2008).
104. M. Kanakubo, T. Umecky, Y. Hiejima, T. Aizawa, H. Nanjo, and Y. Kameda, J. Phys. Chem. B 109, 13847 (2005).
105. K. H. Kim, J. H. Lee, J. Kim, S. Nozawa, T. Sato, A. Tomita, K. Ichiyanagi, H. Ki, J. Kim, S. Adachi, and H. Ihee, Phys. Rev. Lett. 110, 165505 (2013).
106. J.-D. Chai and M. Head-Gordon, Phys. Chem. Chem. Phys. 10, 6615 (2008).
107. K. A. Peterson, B. C. Shepler, D. Figgen, and H. Stoll, J. Phys. Chem. A 110, 13877 (2006).
108. E. Cances, B. Mennucci, and J. Tomasi, J. Chem. Phys. 107, 3032 (1997).
109. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, H. P. H. X. Li, A. F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J. A. Montgomery, J. E. Peralta, Jr., F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, M. C. J. Tomasi, J. M. M. N. Rega, M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, V. G. Zakrzewski, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, S. Dapprich, A. D. Daniels, Ö. Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J. Cioslowski, and D. J. Fox, Revision D.01, Gaussian, Inc., Wallingford, CT, 2009.
110. R. M. Kumar, M. Elango, R. Parthasarathi, and V. Subramanian, J. Phys. Chem. A 115, 12841 (2011).
111. M. Bargheer, P. Dietrich, K. Donovang, and N. Schwentner, J. Chem. Phys. 111, 8556 (1999).
112. S. Mukamel, Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy (Oxford University Press, New York, 1999).
113. R. Zadoyan, M. Sterling, M. Ovchinnikov, and V. A. Apkarian, J. Chem. Phys. 107, 8446 (1997).
114. J. Xu, N. Schwentner, and M. Chergui, J. Chem. Phys. 101, 7381 (1994).
115. N. F. Scherer, D. M. Jonas, and G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 99, 153 (1993).
116. X. B. Xu, S. C. Yu, R. Lingle, H. P. Zhu, and J. B. Hopkins, J. Chem. Phys. 95, 2445 (1991).
117. N. A. Abul-Haj and D. F. Kelley, J. Chem. Phys. 84, 1335 (1986).
118. T. J. Chuang, G. W. Hoffman, and K. B. Eisenthal, Chem. Phys. Lett. 25, 201 (1974).
119. E. Rabinowitch and W. C. Wood, Trans. Faraday Soc. 32, 1381 (1936).
120. E. Rabinowitch and W. C. Wood, Trans. Faraday Soc. 32, 547 (1936).
121. J. Franck and E. Rabinowitsch, Trans. Faraday Soc. 30, 120 (1934).
122. A. Nitzan, Chemical Dynamics in Condensed Phases (Oxford University Press, 2006).
123. J. P. Bergsma, M. H. Coladonato, P. M. Edelsten, J. D. Kahn, and K. R. Wilson, J. Chem. Phys. 84, 6151 (1986).
124. R. S. Mulliken, J. Chem. Phys. 55, 288 (1971).
125. D. F. Kelley, N. A. Abul-Haj, and D. J. Jang, J. Chem. Phys. 80, 4105 (1984).
126. D. M. Jonas, S. E. Bradforth, S. A. Passino, and G. R. Fleming, J. Phys. Chem. 99, 2594 (1995).
127. A. L. Harris, J. K. Brown, and C. B. Harris, Annu. Rev. Phys. Chem. 39, 341 (1988).
128. A. L. Harris, M. Berg, and C. B. Harris, J. Chem. Phys. 84, 788 (1986).
129. V. A. Apkarian and N. Schwentner, Chem. Rev. 99, 1481 (1999).
130. J. Helbing and M. Chergui, J. Chem. Phys. 115, 6158 (2001).
131. Y. R. Shen, The Principles of Nonlinear Optics (John Wiley & Sons, New York, 2002).
132. See Supplementary Material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4865234 for supplementary methods and supplementary figure.
133. S. Bratos, F. Mirloup, R. Vuilleumier, and M. Wulff, J. Chem. Phys. 116, 10615 (2002).
134. N. E. Henriksen and K. B. Moller, J. Phys. Chem. B 112, 558 (2008).
135. P. A. Janson, Deconvolution with Applications in Spectroscopy (Academic Press, New York, 1984).
136. W. Wallace, L. H. Schaefer, and J. R. Swedlow, Bio Techniques 31, 1076 (2001).
137. J. E. Diaz-Zamboni, E. Valentí{dotless}n-Paravani, J. F. Adur, and V. H. Casco, Acta Microsc. 16, 8 (2007).
138. K. Refson, Comput. Phys. Commun. 126, 310 (2000).
139. J. Kim, K. H. Kim, J. H. Lee, and H. Ihee, Acta Crystallogr. A 66, 270 (2010).
140. M. Wulff, S. Bratos, A. Plech, R. Vuilleumier, F. Mirloup, M. Lorenc, Q. Kong, and H. Ihee, J. Chem. Phys. 124, 034501 (2006).