Изображения молекул и даже их медленных изменений в режиме реального времени – это не новинка, но большой интерес научного мира вызывает возможность отображать на видеозаписях быстрые изменения в молекулярной структуре. Исследователи из США сообщили, что им удалось придвинуться еще на один шаг ближе к воплощению этой «научной мечты», сделав первый трехмерный снимок молекул в газе.

Авторы работы выровняли молекулы с помощью лазерного импульса, а после этого облучили их коротким импульсом электронов. Характер рассеяния электронов предоставил достаточно информации для формирования трехмерной картинки.

Если в будущем несколько изображений, полученных таким образом, последовательно соединить в видеоролик, можно будет видеть быстрое изменение формы биологических молекул, к примеру, хлорофилла, играющего основную роль в процессе фотосинтеза, или молекул, присутствующих в сетчатке глаза (и ответственных за наше зрение).

Стандартный способ исследования молекулярной структуры – это рассеяние рентгеновских лучей на кристаллических образцах, по дифракционной картине которого можно восстановить информацию о самой структуре. Но иногда исследователи не хотят или не могут рассматривать молекулы в кристалле. Для изучения молекул в газе вместо рентгеновских лучей используются электроны, обеспечивающие более высокое разрешение картинки. Стоит также отметить, что

для получения изображения того же качества электроны позволяют использовать пучки меньшей интенсивности.

Проблема данного метода заключается в том, что в газе молекулы ориентированы случайным образом, т.е. исследователи получают размытые дифракционные картины. Иными словами, для построения трехмерной структуры требуется информация о том, где находятся атомы. И это создает проблемы при работе с большими молекулами. Одно из применяемых для устранения этой проблемы решений – выравнивание молекул с поляризацией при помощи лазерного излучения (подсвечивающего молекулы одновременно с электронным импульсом). К сожалению, лазерное излучение не только выравнивает, но и деформирует молекулы, т.е. в результате ученые получают неестественную картину. Кроме того, достаточно сложно получить одновременно и хорошее выравнивание, и четкую дифракционную картину электронов.

Ученые из University of Nebraska (США) предложили новую методику, не имеющую этих проблем.

• Во-первых, выравнивание осуществляется при помощи короткого лазерного импульса (выравнивание происходит через некоторое время после выключения импульса).
• Во-вторых, учеными был разработан алгоритм, исправляющий экспериментальные данные при не полном выравнивании. Результаты своей работы ученые опубликовали в журнале Physical Review Letters.

Для первой демонстрации возможностей своего метода команда выбрала симметричную молекулу трифторйодметана (CF₃I), поскольку работы других научных групп уже подробно рассмотрели ее структуру. Команда подвергла молекулу 300-фемтосекундному импульсу лазерного излучения, который индуцировал вращение (угловая скорость вращения при этом зависела от того, как именно молекулы были выровнены относительно лазерного луча).

Максимальное совпадение осей молекул было достигнуто через несколько пикосекунд после выключения лазера, таким образом, появилась возможность записать достаточно четкую дифракционную картину.

Для получения полноценной трехмерной реконструкции ученым потребовалась дифракционная картина для двух направлений осей молекул по отношению к пучку электронов, а также один «снимок», сделанный без лазерной центровки.

Предложенный командой алгоритм позволил извлечь из этих данных всю информацию о молекулах, включая межатомные расстояния и углы между связями. Полученные специалистами результаты в точности совпали с ранее измеренными для изученных молекул данными.

Как сообщает научная группа, предложенная ими методика может использоваться для визуализации больших молекул, которые не могут быть кристаллизованы. А в своей дальнейшей работе команда планирует сделать упор на съемке полноценных видеофильмов о быстрых структурных изменениях молекул.