Лазерный мир

Сложные химические процессы

В 1997 году ученые получили Нобелевскую премию по физике за охлаждение и улавливание атомов щелочи в лазерном свете. Но молекулы более хрупкие, чем атомы: они могут вращаться и вибрировать. В ходе эксперимента молекулы газа, попав в ловушку лазерного света, столкнулись друг с другом, но некоторые просто исчезли.

Тогда ученые предположили, что потеря молекул произошла в результате реакций — две молекулы столкнулись друг с другом, и вместо того, чтобы разойтись в разных направлениях, они превратились во что-то новое. Но как? Ответ, как оказалось, скрывает в себе свет. В ходе нового исследования, результаты которого описаны в The Harvard Gazette, ученые использовали лазеры для манипулирования этим промежуточным комплексом — серединой химической реакции — и обнаружили, что свет вытеснил молекулы с их типичного пути реакции и привел к новому.

Исследователи раскрывают тайны Вселенной, захватывая ультрахолодные молекулы в середине химической реакции

По словам авторов работы, пара молекул, склеенных вместе в качестве промежуточного состояния, может «возбудиться» вместо того, чтобы следовать своим традиционным путем. Молекулы щелочей особенно восприимчивы из-за того, как долго они находятся в промежуточном состоянии.

В ходе исследования команда охладила две молекулы калия-рубидия чуть выше абсолютного нуля. Это позволило обнаружить то самое «недостающее звено» – пространство, в котором реагенты превращаются в продукты, в течение примерно 360 наносекунд (что почти в миллион раз дольше, чем в реакциях с более высокой температурой). Наблюдение за этой трансформацией, по мнению авторов исследования, может рассказать что-то новое о том, как устроены и взаимодействуют молекулы – основа всего сущего. 

С типичными комплексами, такими как те, которые находятся в реакции при комнатной температуре, вы бы ничего не смогли сделать, потому что они очень быстро распадаются на продукты, – пишут исследователи.

Кстати, одним из наиболее интригующих свойств лазерных лучей является их способность улавливать молекулы и манипулировать ими. В физике ультрахолодных температур – это метод захвата и управления атомами, наблюдения за ними в их квантовом основном состоянии или принуждения их к реакции.

Лазеры, молекулы и другие вопросы

Напомним, что определенные длины волн света (например, инфракрасный, который команда использовала для возбуждения молекул калия-рубидия) могут создавать различные пути реакции, но никто не знает, какие длины волн посылают молекулы в какие новые образования. В дальнейшем исследователи планируют изучить, как выглядит этот сложный молекулярный комплекс на различных стадиях трансформации.

Так выглядит оптический резонатор, используемый для точной настройки лазеров, которые затем улавливают и охлаждают молекулы

Чтобы исследовать его структуру, мы можем изменять частоту света и видеть, как меняется степень возбуждения, – отмечают авторы новой работы. Так мы сможем выяснить, где находятся энергетические уровни этой недостающей молекулы и что это говорит о ее квантово-механической конструкции. Словом, все очень сложно.

Авторы научной работы надеются, что их исследование послужит образцом для подобных исследований в будущем. В конце концов, это пример того, как ученые могут исследовать другие низкотемпературные реакции, в которых не участвуют калий и рубидий.

Эта реакция, как и многие другие химические реакции, является своего рода самостоятельной Вселенной. С каждым новым наблюдением команда раскрывает крошечную часть гигантского квантового слона. А поскольку в известной Вселенной существует бесконечное количество химических реакций, на еще очень многое предстоит узнать. Кстати, о птичках.

Недостающая молекула

Итак, вернемся к самому началу статьи – в декабре 2016 года исследовательская команда NASA сконструировала новый аппарат, способный проводить химические реакции при самых низких температурах. Непредвиденным преимуществом было то, что

ультрахолодные температуры настолько замедлили реакцию, что исследователи впервые в реальном времени увидели, что происходит во время химического превращения.

И хотя реакции считались слишком быстрыми для измерения, ученым удалось определить время жизни этой реакции — и в процессе разгадать тайну недостающих молекул.

Учёные впервые обнаружили молекулу гидрида гелия в космосе

Важно отметить, что ранее ученым удалось успешно объединить гелий и ионный водород для создания гидрида гелия в лаборатории. Затем они предположили, что астрофизическая плазма, подобная той, что обнаружена в планетарных туманностях – расширяющаяся оболочка пыли, которая была выброшена из звезды, когда у нее закончилось топливо – обеспечила идеальную среду для образования гидрида гелия.

Источник: https://hi-news.ru/research-development/kak-svyazany-lazery-kosmos-i-molekulyarnaya-ximiya.html