Лазерный мир

Химическая реакция происходит быстро — молекулярные связи разрываются и образуются за время, которое человеческий мозг не может представить: фемтосекунды (10⁻¹⁵ секунды). Это в миллион раз быстрее, чем самый короткий звук, который вы можете различить.

До последнего времени наблюдать эти события было невозможно. Теперь — возможно.

Группа учёных из SLAC National Accelerator Laboratory, DESY и нескольких международных партнёров опубликовала результаты съёмки химических реакций с фемтосекундным временным разрешением с помощью рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL). Работа опубликована в Nature.

Что такое XFEL и как это работает

Лазер на свободных электронах — это принципиально другая физическая конструкция, нежели обычный лазер. Электроны разгоняются в линейном ускорителе и пропускаются через периодически меняющееся магнитное поле. В результате они испускают согласованное рентгеновское излучение — в миллиарды раз более яркое и в тысячи раз более короткое, чем рентген в больничных аппаратах.

Каждая вспышка — порядка 10 фемтосекунд или короче. При этом сигнал настолько мощный, что дифракционная картина от молекулы регистрируется за один импульс.

Принцип эксперимента: реакцию запускают лазерным импульсом видимого света, затем через контролируемую задержку — от десятков фемтосекунд до нескольких пикосекунд — «просвечивают» рентгеновским импульсом и фиксируют структуру молекул в этот момент. Серия таких снимков с нарастающей задержкой составляет молекулярный «фильм».

Что удалось снять

В представленных работах исследователи наблюдали:

• Разрыв и образование химических связей в режиме реального времени при фотохимических реакциях.
• Изменение электронной плотности в ходе переноса заряда.
• Структурные перестройки молекулы после поглощения фотона — от пикосекундных изменений конфигурации до более медленных перегруппировок.
• Переходные состояния — короткоживущие промежуточные структуры, которые существуют лишь на пути от реагентов к продуктам.

Именно переходные состояния прежде были принципиально недоступны для прямого наблюдения, хотя именно они определяют, каким путём идёт реакция и что в итоге получается.

Зачем это нужно

Понимание переходных состояний — ключ к рациональному дизайну катализаторов. Если учёный видит, что именно происходит в активном центре катализатора в момент реакции, он может точечно изменить его структуру для ускорения нужного пути или блокировки нежелательного.

Это применимо к промышленным катализаторам, к биохимии ферментов и к созданию новых фотовольтаических материалов — везде, где скорость и маршрут химического превращения определяют эффективность.

Особый интерес — фотосинтетические реакции. XFEL уже применялся для съёмки работы фотосистемы II — комплекса, расщепляющего воду на кислород и водород при фотосинтезе. Это потенциальная основа для искусственного фотосинтеза и производства «зелёного» водорода.

Исследование опубликовано в Nature. Материал подготовлен по публикации Phys.org.

Источник: https://pronedra.ru/ultrafast-xray-flashes-imaging-827404.html