Сверхбыстрые рентгеновские импульсы позволили увидеть химические реакции на уровне отдельных атомов

Учёные впервые смогли подробно проследить, как поглощённый молекулой свет превращается в движение атомов всего за несколько триллионных долей секунды. Для этого исследователи использовали сверхкороткие рентгеновские импульсы Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах — European XFEL. Новый метод позволил наблюдать химические процессы практически в реальном времени и одновременно выяснить, какую роль играют отдельные атомы в перераспределении энергии. Оказалось, что разные участки одной и той же молекулы могут фиксировать совершенно разные стадии реакции: одни атомы показывают движение электрического заряда, а другие — колебания всей молекулярной структуры.

В центре эксперимента находился 3-фторпиридин — небольшая кольцеобразная молекула, содержащая атомы азота и фтора. Сначала на неё воздействовали коротким импульсом ультрафиолетового света. Поглощая энергию, электроны молекулы переходили в возбуждённое состояние, после чего её структура начинала быстро изменяться. В обычном состоянии молекула 3-фторпиридина почти плоская. Однако после воздействия света она изгибалась и проходила через так называемое коническое пересечение.

Так учёные называют кратковременное состояние, в котором движение электронов и атомных ядер оказывается особенно тесно связанным. Конические пересечения имеют большое значение для фотохимии — химических процессов, запускаемых светом. Именно в таких точках электронная энергия может быстро превращаться в движение атомов и колебания молекулы. Благодаря этому возбуждённая молекула возвращается в основное энергетическое состояние, а избыток энергии распространяется по её структуре. Чтобы проследить этот процесс, исследователи применили времяразрешённую рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию. После ультрафиолетового импульса на молекулу направляли задержанный импульс мягкого рентгеновского излучения.

Он выбивал глубоко связанные электроны из атомов азота или фтора. Измеряя энергию высвободившихся электронов, учёные могли определить, как изменялось химическое окружение каждого атома. Эксперимент многократно повторяли, каждый раз меняя задержку между ультрафиолетовым и рентгеновским импульсами. В результате исследователи восстановили последовательность событий, происходивших внутри молекулы за несколько пикосекунд. Одна пикосекунда равна одной триллионной доле секунды.

Для расшифровки сигналов также использовались сложные компьютерные модели, связывающие экспериментальные данные с движением электронов и изменением формы молекулы. Особенно важным открытием стало то, что атомы азота и фтора предоставляли разную информацию. Фтор выступал своеобразным индикатором молекулярных колебаний. По его сигналам можно было проследить, как механические движения постепенно распространялись и ослабевали внутри молекулы. Атом азота показал более сложную картину. Он непосредственно участвовал в начальном электронном возбуждении, поэтому его сигнал отражал одновременно перераспределение электрического заряда и структурные изменения молекулы.

По словам исследователей, это доказывает, что отдельные атомы нельзя рассматривать как одинаковые наблюдательные точки. Каждый из них может сообщать о своей части происходящего процесса. Один атом лучше показывает перемещение заряда, другой — движение соседних атомов, а третий может отражать общую вибрационную динамику. Новая технология открывает возможности для более глубокого изучения сверхбыстрой фотохимии. В будущем подобные эксперименты могут помочь понять, как биологические молекулы защищаются от повреждения светом, как ДНК рассеивает поглощённую энергию и каким образом она передаётся внутри материалов. Метод также может быть полезен при разработке солнечных элементов, светочувствительных молекул и материалов, предназначенных для поглощения или переноса энергии.

Чем точнее учёные будут понимать такие процессы, тем эффективнее они смогут управлять химическими реакциями и создавать новые функциональные материалы. Хотя нынешний эксперимент проводился на относительно простой молекуле, исследователи считают, что тот же подход можно применять к значительно более сложным системам — органическим соединениям, биомолекулам и материалам для преобразования света. Авторы работы подчёркивают, что European XFEL создавался именно для наблюдения за химическими изменениями в тех точках, где они начинаются, и в естественном временном масштабе. Сочетание атомной чувствительности и фемтосекундного разрешения позволяет фактически снимать сверхбыстрые химические реакции кадр за кадром. Новый эксперимент показывает, что современная рентгеновская техника уже способна не просто фиксировать итог химической реакции, а наблюдать сам процесс преобразования энергии — от возбуждения электронов до движения отдельных атомов.

• Физики связали уравнения Эйнштейна с квантовой информацией
• Физики научились управлять «закрученностью» света с помощью его внутренней структуры
• Физики обнаружили необычный «провал» в данных о сверхплотной материи
• Учёные предложили связывать удалённые кубиты колебаниями кристалла
• Учёные создали самые точные атомные часы в мире
• Учёные предложили превращать пластиковые отходы в бензин и дизельное топливо
• ИИ и смешанную реальность впервые объединили при установке зубного импланта
• Капли воды могут повреждать краску микроскопическими электрическими разрядами