Физикам из Стенфордского центра линейного ускорителя (SLAC) впервые удалось проследить за изменениями формы единичной молекулы в процессе исключительно быстрой химической реакции. Об этом сообщает пресс-релиз организации, а статья, посвященная работе, «опубликована»Жhttp://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.255501 в журнале Physical Review Letters.

В качестве модельного процесса исследователи выбрали реакцию разрыва кольца циклической молекулы циклогексадиена-1,3. В этой молекуле две имеющиеся двойные связи сопряжены, то есть разделены лишь одной связью. Под действием ультрафиолетового излучения связь, находящаяся напротив сопряженной системы рвется, одновременно с этим происходит перераспределение электронов двойных связей и в результате образуется незамкнутая молекула гексатриена. Эта реакция относится к классу электроциклических превращений, хорошо изученных химиками.

Схема эксперимента. Изображение: Minitti et al. / Physical Review Letters, 2015

Для прямой визуализации физики использовали возможности лазера на свободных электронах, установленного в SLAC. Пучки рентгеновского излучения, создаваемого им, рассеиваясь на молекулах вещества формируют картину, по которой можно очень точно определить форму молекул. Он выступал в роли фотовспышки, фиксирующей стадии протекания реакции. Для того, чтобы создать набор, полностью анимирующий реакцию, необходимо «поймать» разные ее стадии, причем важно знать, в каком порядке склеивать анимацию. Поэтому авторы прибегли к следующей схеме эксперимента. В реакционную камеру поступал импульс ультрафиолетового излучения, запускающий реакцию. Вслед за ним, в строго определенный момент времени, поступал пучок рентгеновского излучения длительностью всего 25 фемтосекунд — квадриллионных долей секунды. Происходила фиксация кадра будущей анимации, затем процедура повторялась с увеличенной задержкой.

Полученные картины рассеяния сравнивались с предсказанными теоретически. Таким образом происходило восстановление движений, производимых атомами в молекуле. В результате авторам удалось показать, что протекавшая в эксперименте реакция на 80 процентов описывалась четырьмя процессами, два из которых не приводили к итоговому разрыву кольца (реакция обратима), а два завершались образованием гексатриена.

Характер рассеяния, предсказанный теоретически (цветные линии) и экспериментальный (черные линии) в зависимости от времени Изображение: Minitti et al. / Physical Review Letters, 2015

Важным результатом работы, по словам авторов, является определение времени, уходящего на различные стадии реакции. Так, например, процесс разрыва кольца занимает менее 50 фемтосекунд. Как утверждает Майкл Минитти, один из авторов работы, съемка подобного «молекулярного видео» являлась одной из целей, лежавших за постройкой LCLS — наблюдением за процессами на атомном уровне. Авторы надеются, что их исследование поможет в будущем увидеть более сложные реакции крупных молекул и лучше понять механизмы, стоящие за протеканием химических реакций.