Ученым впервые удалось увидеть вживую процесс начала формирования химической реакции
Ученые впервые зафиксировали момент зарождения химической связи между атомами. Это революционное наблюдение стало возможным благодаря рентгеновскому лазеру Linac Coherent Light Source (LCLS) в Национальной лаборатории SLAC. Снимки переходного состояния, когда между атомами только начинает формироваться связь, открывают новую эру в понимании фундаментальных механизмов химических реакций. Это знание может кардинально повлиять на развитие технологий — от создания новых лекарств и материалов до совершенствования методов получения энергии.
«То, что мы увидели, — это основа всей химии. По праву можно считать это Священным Граалем нашей науки, — заявил Андерс Нильссон, профессор Стэнфордского университета и сотрудник SLAC. — Переходные состояния в реакциях длятся невероятно короткое время, и мы даже не надеялись когда-либо наблюдать их непосредственно».
Уникальность лазера LCLS заключается в его способности генерировать сверхкороткие и интенсивные импульсы рентгеновского излучения. Эти импульсы действуют как вспышки сверхбыстрой камеры, позволяя делать «моментальные снимки» процессов, длящихся фемтосекунды (триллионные доли секунды). Такое временное разрешение сделало видимым то, что раньше было лишь теоретическим предположением.
В качестве объекта исследования была выбрана ключевая реакция каталитического окисления угарного газа (CO) в углекислый газ (CO₂) — процесс, лежащий в основе работы автомобильных катализаторов. Реакция протекает на поверхности катализатора из рутения. Ученые инициировали процесс, нагрев катализатор оптическим лазером до 2000 Кельвинов, что обеспечило высокую активность и частоту столкновений молекул.
Рентгеновские импульсы LCLS отслеживали мельчайшие изменения в положении электронов атомов, участвующих в реакции. Именно эти изменения, происходящие за фемтосекунды, сигнализировали о рождении новой химической связи.
«Мы обнаружили, что первыми активизируются атомы кислорода, а затем — молекулы угарного газа, — пояснил Андерс Нильссон. — Они начинали интенсивно вибрировать, сближаться и, столкнувшись через триллионные доли секунды, формировали промежуточное состояние, которое почти мгновенно превращалось в стабильную молекулу».
Полученные данные будут проверены независимыми исследовательскими группами на другом оборудовании для окончательного подтверждения. Тем временем команда SLAC уже планирует изучить переходные состояния в других важных промышленных каталитических реакциях. Это направление работы открывает путь к целенаправленному созданию более эффективных и селективных катализаторов для химической промышленности.
Первоисточник
