Традиционный способ измерения параметров атомной структуры молекулы – это рассеяние рентгеновских лучей от кристалла из данных молекул. Однако иногда кристаллы сформировать невозможно, поэтому до сих пор и рентгеновское излучения использовать было нельзя. Теперь же группа исследователей из Германии нашла способ применить рассеяние рентгеновских лучей, чтобы измерить расстояние между двумя атомами в свободной молекуле. Для этого облучению подвергался не кристалл, а большое количество одинаковых молекул в молекулярном пучке. Хотя искомое расстояние между атомами молекулы было известно из других экспериментов, работа убедительно доказывает, что можно использовать очень яркие источники рентгеновского излучения для изучения изолированных молекул.

Из целого ряда существующих способов измерения атомарных расстояний дифракция рентгеновских лучей до сих пор является одним из самых точных. Кроме того, это наиболее гибкий и в то же время функциональный способ определения молекулярной структуры, например, белков (молекулы которых могут иметь тысячи атомов). Правда, для использования такого подхода обычно требуется, чтобы множество одинаковых молекул сформировали упорядоченный кристалл.

В этом случае в результате рассеяния рентгеновских лучей образуется дифракционная картина (лучи рассеиваются только в некоторых «специальных» направлениях), по которой исследователи восстанавливают информацию о позициях атомов. Наличие большого кристалла без дефектов до недавнего времени было ключевым требованием для применения метода.

Последние работы показали, что

дифракция может помочь в изучении даже небольших кристаллов, если использовать сверхяркие рентгеновские импульсы от одного из новых лазеров на свободных электронов.

Еще в 2009 году группа из SLAC National Accelerator Laboratory (США) использовала подобное оборудование для анализа крошечных кристаллов, имеющих всего несколько десятков или сотен молекул белка. С точки зрения экспериментальной техники это было большим шагом вперед, но по своей идее исследования все же относились к кристаллографии. Теперь же группа ученых из Center for Free-Electron Laser Science (CFEL, Германия) совместно с коллегами из других стран сделала следующий шаг, проведя аналогичные исследования изолированных молекул.

Для проверки разработанной экспериментальной методики исследователи использовали относительно хорошо изученную модификацию бензольного кольца (дииодобензонитрил).

Молекула была выбрана, поскольку 2 атома йода в этом соединении имеют больше электронов, чем другие атомы, поэтому обеспечивают большую часть рассеяния. Кроме того, можно было использовать стандартный лазер для выравнивания молекул по оси йод-йод с помощью электрического поля в преддверии рентгеновского импульса.

В рамках эксперимента каждый из импульсов рентгеновского излучения затрагивал сотни молекул, но, несмотря на это, потребовались сотни тысяч импульсов, чтобы накопить достаточно данных о картине рассеяния. Суммируя результаты, ученые вместо острых пиков (типичных для кристаллографии) увидели плавные изменения интенсивности рассеянного света.

Исходя из формы этой кривой, команда смогла определить расстояние между атомами йода.

Эксперимент, проведенный еще в 2010 году, дал значение расстояния с ошибкой более 15%. Однако, по словам ученых, это было вызвано тем, что длина волны использованного рентгеновского излучения была близка к искомому расстоянию.

Теперь же существуют приборы, позволяющие получить в 6 раз меньшую длину волны и более частые импульсы, что обеспечит более четкую экспериментальную картину.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.