Химията, каквато я помним от училище, е свят на статични

Химията, каквато я помним от учебно заведение, е свят на статични модели. спретнати дребни атомни топчета, свързани с лепливи пръчици. Но действителността е друга. Микрокосмосът не е застинала картина, а непрестанен, невъобразимо бърз танц. Атомите вибрират, доближават се един към различен, отблъскват се, раздират старите връзки и основават нови. И всичко това се случва за фемтосекунди – толкоз къси интервали от време, че мозъкът ни просто не може да си ги показа.

Представете си: една фемтосекунда е това, което секундата е за 32 милиона години. Да се види какво се случва в такива моменти е предизвикателство от региона на научната фантастика. Или най-малко до неотдавна беше.

Екип от откриватели в Европейския рентгенов лазер на свободни електрони (European XFEL) в Германия направиха революционен пробив. Те сътвориха първата в света „ атомна кино камера “, способна да снима химичните реакции в действително време. Филмът им не е холивудски блокбастър, а къс, само че извънредно осведомителен клип на пораждането на една-единствена йодна молекула.

Поглед към фемтосекундата: по какъв начин работи атомното кино?

За да се направи подобен „ филм “, е належащо освен това от мощен микроскоп. Необходима е умна апаратура и съвършено проведен опит в няколко стадия.

Главният воин на нашата история е молекулата на дийодметана (CH₂I₂). Това е относително елементарна конструкция: въглероден атом в центъра, с два водородни атома и два солидни йодни атома, прикрепени към него. Предизвикателството пред учените е в това, да накарат двата йодни атома да се „ откъснат “ от общата конструкция и да се съединят, с цел да образуват йодна молекула (I₂).

а) Илюстрация на фотовъзбуждането на молекулата на CH₂I₂ с NIR подтик, допустима нуклеарна динамичност след NIR възбуждане и проучване с XFEL подтик, идващ със забавяне t. b), c) Разпределения на импулсите на йонните фрагменти в молекулярната референтна рамка от канала за съвпадане C⁴⁺/I⁵⁺/H⁺/H⁺/H⁺, получени от XFEL йонизация на неексцитирани (неимпулсирани) молекули CH₂I₂ (b) и от XFEL йонизацията на молекулите CH₂I₂ след облъчване с 800-nm NIR лазерен подтик (c). Панелите b и c имат същата цветова канара, показана в (d)

Първата стъпка е „ Действие! “ (Action!) За да стартира реакцията, молекулите на дийодметана се облъчват с ултракъс подтик на инфрачервен лазер. Този подтик е като стартов револвер: той дава на молекулата силата, от която се нуждае, с цел да стартира трансформацията. Връзките стартират да се разтягат и да се приготвят за скъсване.

Втората стъпка е „ Снимай! “. Само няколко фемтосекунди след старта в деяние влиза главният инструмент – най-мощният европейски рентгенов лазер XFEL. Неговата светлина е толкоз интензивна и къса, че безусловно раздира молекулата, йонизирайки нейните атоми. Този развой се назовава Кулонова детонация. Всеки атом получава електрически заряд и се отдалечава от някогашните си съседи.

Звучи разрушително, нали? Но тъкмо в това е гениалността на метода.

a) Зависимият от времето KED на C⁺ йоните за канала C⁴⁺/I⁴⁺/I⁵⁺. Бялата пунктирна линия маркира границата (32 eV), употребена за делене на сигналите от обвързваните и дисоцииращите молекули. Интензитетът в региона под бялата линия е мащабиран с коефициент 3, с цел да се усили видимостта на канала за дисоциация. b, c – MFMD за свързани (b) и дисоцииращи (c) молекули (събития в алените и зелените полета с център 500 fs в панел (a)). d Средната стойност на ъгъла I-C-I в импулсното пространство ∠ICI⁽ᴹ⁾ (дефинираният в алено в панел (b)) като функционалност на времезакъснението на NIR/X-ray за канала C²⁺/I³⁺/I³⁺/I³⁺. Квадратите съставляват измерените данни, а сивата плътна линия – моделираните стойности. Грешките демонстрират общоприетата неточност на междинната стойност. Числата по дясната ос демонстрират стойностите на ъглите в действителното пространство ∠ICI⁽ᴿ⁾, съответстващи на моделираните ъгли ∠ICI⁽ᴹ⁾

Реконструиране на събитията: по следите на фрагментите се стига до истината

Представете си, че сте криминалист, който идва на мястото на детонация. Нямате видеозапис на самия случай, само че имате фрагменти, разпръснати във всички направления. По тяхната траектория, скорост и извънредно състояние можете да възстановите с огромна акуратност какво и къде са били те момент преди детонацията и по какъв начин тъкмо се е случила тя.

Учените вършат същото нещо, единствено че на атомно равнище. Специален детектор – реакционният микроскоп COLTRIMS, записва траекториите и скоростите на всички йони, формирани след Кулоновата детонация. Анализирайки тези данни, компютърът пресъздава цялостната картина на това, което се е случило с молекулата, преди тя да бъде унищожена от рентгеновия проблясък.

Чрез смяна на закъснението сред стартовия подтик и рентгеновия изблик е допустимо да се създадат „ фотоси “ на другите стадии на реакцията и по-късно да се инсталират в повсеместен филм.

a) Зависим от времето общ KED на йоните I⁴⁺ и I⁵⁺ за събитията под бялата линия на фиг. 2a. Хоризонталната бяла прекратена линия в панела а демонстрира долната граница (40 eV) на общите сили на I⁴⁺ и I⁵⁺, съответстващи на продуктите като свързани I₂⁺. Интензитетът в региона с КЕ над 85 eV (отбелязана горе вдясно) е мащабиран с коефициент 2, с цел да се покаже по-добре региона, съответстваща на образуването на I₂⁺ при по-къси дължини на връзката. b) Нормализирани проекции на данните от панела a за 0 < τ < 200 fs (черно) и 600 fs < τ < 850 fs (червено). Линиите на грешките са изчислени, като е употребявано разпределението на Поасон. Черната пунктирна линия демонстрира междинната стойност на статичното („ единствено сондиращ подтик “) пробно систематизиране. Защрихованите области изобразяват моделираната обща KED за междуядреното разстояние I-I от 2,58 Å (пурпурно) и 3,60 Å (зелено).

Танцът на йода: какво видяха учените?

Ето по какъв начин откривателите съумяха да проследят грациозния атомен танц. Те са видели по какъв начин два йодни атома се отделят от метиленовата група (CH₂) и се събират, с цел да образуват нова, здрава връзка.

Но най-интересната част е скрита в детайлите. Химичните реакции рядко следват един-единствен, равен път. В този случай са вероятни и други сюжети:

Само единият йоден атом се откъсва от молекулата, а другият остава на мястото си. Молекулата просто гълтам силата и стартира да се колебае, без да се разпада.

Изненадващо, методът е толкоз акуратен, че съумява да отдели главния развой – образуването на молекулата на I₂ – от тези страничните реакции. И това макар обстоятелството, че „ вярната “ реакция съставлява единствено към 10% от всички събития! Това е все едно да чуеш шепота на избран човек в шумна навалица и да схванеш какво споделя той.

Нещо повече, „ атомното кино “ сподели, че даже този главен развой протича нееднозначно. Понякога и двата йодни атома се отделят от въглерода по едно и също време (синхронен механизъм), а от време на време – поредно (асинхронен). По-рано това бяха единствено теоретични модели, а в този момент това е към този момент пробно следен факт.

Черешката на тортата беше фактът, че учените даже съумяха да видят вибрациите на новородената йодна молекула – нейната първа „ глътка въздух “ след образуването.

a, c Снимки на молекулярната конструкция при разнообразни времеви забавяния за две представителни траектории, водещи до образуването на I₂⁺. b, d Темпоралната еволюция на дистанциите сред двойките C-I и I-I за двете траектории, илюстрирани в (а) и (с). e Схема на ъгъла в пространството на импулсите ∠I – I – C⁽ᴹ⁾ и неговото пробно систематизиране според от закъснението. Насочените нагоре бели триъгълници и кръгове демонстрират резултатите от симулациите на Кулоновия гърмеж, основани на моделираните траектории (b) и (d), надлежно.

От фундаменталната просвета до технологиите на бъдещето

Да, добре, учените са създали филм за една молекула. Какво значи това за вас и за мен?

Пряко, към момента нищо. Никакви нови джаджи, основани с помощта на това изобретение, на следващия ден няма да се появят в магазините. Но фундаменталното му значение е голямо. Разбирането на действителното протичане на химичните реакции е ключът към тяхното управление.

Нови материали и катализатори. Индустрията се основава на катализата – процесите, които форсират химичните реакции. Ако можем да разберем в елементи по какъв начин работи един катализатор, можем да създадем по-ефективни негови версии за произвеждане на горива, пластмаси и медикаменти. Химията на атмосферата. Разбирането на механизмите на раздробяване и формиране на молекулите в атмосферата ще ни помогне да моделираме по-точно изменението на климата и да се оправим със замърсяването на въздуха. Биология и медицина. Целият живот е безкрайна поредност от комплицирани химични реакции. Възможността да ги следим на атомно равнище открива фантастични вероятности за схващане на работата на ензимите и за основаване на идващото потомство медикаменти.

Това проучване не е последна точка, а първа, само че извънредно значима стъпка. С бъдещите усъвършенствания в рентгеновите лазери нашите „ атомни кинокамери “ ще станат още по-бързи и по-отчетливи. Те ще ни разрешат да снимаме по-сложни и по-дълги „ филми “, включващи десетки атоми. И кой знае какви секрети на микрокосмоса ще ни разкрият те. Току-що гледахме първия епизод на трогателен теоретичен сериал. И, както наподобява, най-интересното занапред следва.