Международная группа исследователей смогла зафиксировать самые быстрые химические изменения, когда-либо наблюдавшиеся внутри отдельной молекулы. Новый метод позволил буквально в режиме реального времени увидеть, как атомы и электроны перераспределяют энергию после поглощения света. Полученные результаты открывают новые возможности для изучения фундаментальных процессов, лежащих в основе фотосинтеза, защиты ДНК от ультрафиолетового излучения и создания современных светочувствительных материалов.
Эксперимент проводился с использованием Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) — одной из самых мощных научных установок в мире. Благодаря сверхкоротким рентгеновским импульсам ученым удалось наблюдать процессы, происходящие за триллионные доли секунды.
Когда молекула поглощает свет, она мгновенно получает дополнительную энергию. Затем эта энергия перераспределяется между электронами и атомами, после чего молекула возвращается в исходное состояние. Несмотря на то что ученые давно знали о существовании этого процесса, проследить его во всех деталях до сих пор было невозможно из-за чрезвычайно высокой скорости происходящих изменений.
Для исследования специалисты выбрали небольшую молекулу 3-фторпиридина. Сначала ее возбуждали коротким ультрафиолетовым лазерным импульсом, после чего молекула переходила в высокоэнергетическое состояние и практически мгновенно изменяла свою пространственную форму.
Во время возвращения к стабильному состоянию молекула проходила через так называемое коническое пересечение — особую стадию, на которой движение электронов и атомов становится тесно связанным. Именно в этот момент происходит сверхбыстрое преобразование электронной энергии в механические колебания атомов.
Исследование показало, что различные атомы внутри одной и той же молекулы реагируют на происходящие изменения по-разному. Так, атом фтора главным образом отражал колебательные движения молекулы, сопровождающие рассеивание избыточной энергии. Атом азота, напротив, фиксировал одновременно изменения электронной структуры и перемещение атомов. По сути, каждый атом выступал в роли отдельного высокоточного датчика, позволяющего увидеть различные стороны одного химического процесса.
Чтобы наблюдать эти процессы, ученые применили метод времяразрешенной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. После возбуждения молекулы ультрафиолетовым светом через строго заданный промежуток времени на нее направлялся короткий рентгеновский импульс, который выбивал электроны из атомов азота и фтора. Анализируя энергию этих электронов при различных временных задержках, исследователи смогли восстановить последовательность изменений, происходивших внутри молекулы.
Полученные экспериментальные данные были дополнительно подтверждены с помощью современных компьютерных моделей, которые позволили подробно интерпретировать наблюдаемые процессы.
Авторы работы отмечают, что предложенный подход можно использовать не только для изучения относительно простых молекул, но и для исследования гораздо более сложных систем. В перспективе технология поможет глубже понять механизмы преобразования солнечной энергии в растениях, процессы фотозащиты ДНК, а также ускорит разработку новых материалов для солнечной энергетики, фотоники и молекулярной электроники.
По мнению исследователей, возможность наблюдать химические реакции на атомном уровне в режиме реального времени открывает новый этап в развитии физической химии и молекулярной спектроскопии. Это позволит значительно точнее изучать процессы, которые ранее оставались скрытыми из-за своей чрезвычайно высокой скорости.
