Учёные впервые в реальном времени увидели, как атомы создают молекулу

06 авг 2025, 22:07

Химия, какой мы её помним со школы, — это мир статичных схем. Аккуратные шарики-атомы, соединённые палочками-связями. Но в реальности всё иначе. Микромир — это не застывшая картинка, а непрерывный, невообразимо быстрый танец. Атомы вибрируют, сближаются, отталкиваются, рвут старые союзы и заключают новые. И всё это происходит за фемтосекунды — отрезки времени настолько короткие, что наш мозг просто не в состоянии их вообразить.

Представьте: одна фемтосекунда относится к секунде так же, как секунда к 32 миллионам лет. Увидеть, что происходит в такие мгновения, — задача из области научной фантастики. Или, по крайней мере, так было до недавнего времени.

Вольная интерпретация процесса
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3

Группа исследователей из Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) в Германии совершила прорыв. Они, по сути, создали первую в мире «атомную кинокамеру», способную заснять химическую реакцию в реальном времени. Их фильм — это не голливудский блокбастер, а короткий, но невероятно содержательный ролик о рождении одной-единственной молекулы йода.

Заглянуть в фемтосекунду: как работает атомное кино?

Чтобы снять такой «фильм», нужен не просто мощный микроскоп. Нужна хитроумная установка и идеально срежиссированный эксперимент в несколько этапов.

Главный герой нашей истории — молекула дийодметана (CH₂I₂). Это довольно простая конструкция: в центре атом углерода, к нему прикреплены два атома водорода и два массивных атома йода. Задача учёных — заставить два атома йода «отколоться» от общей структуры и соединиться друг с другом, образовав молекулу йода (I₂).

a иллюстрация фотовозбуждения молекулы CH₂I₂ NIR-импульсом, возможной ядерной динамики после NIR-возбуждения и зондирования XFEL-импульсом, приходящим с временной задержкой t. b, c Импульсные распределения ионных фрагментов в молекулярной системе отсчёта из канала совпадений C⁴⁺/I⁵⁺/H⁺/H⁺, полученные в результате XFEL-ионизации невозбуждённых (unpumped) молекул CH₂I₂ (b) и в результате XFEL-ионизации молекул CH₂I₂ через 500 fs после облучения 800-нм NIR-лазерным импульсом (c). Панели b и c имеют общую цветовую шкалу, показанную на (d). Цитирование: Li, X., Boll, R., Vindel-Zandbergen, P. et al. Imaging a light-induced molecular elimination reaction with an X-ray free-electron laser. Nat Commun 16, 7006 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62274-z
Автор: Li, X., Boll, R., Vindel-Zandbergen, P. et al. Источник: www.nature.com

Первый шаг — «Мотор!». Чтобы запустить реакцию, молекулы дийодметана облучают ультракоротким импульсом инфракрасного лазера. Этот импульс — как стартовый пистолет: он даёт молекуле энергию, необходимую для начала преобразований. Связи начинают растягиваться и готовиться к разрыву.

Второй шаг — «Съёмка!». Спустя считанные фемтосекунды после старта в дело вступает главный инструмент — мощнейший рентгеновский лазер European XFEL. Его вспышка настолько интенсивна и коротка, что она буквально разрывает молекулу на части, ионизируя её атомы. Этот процесс называется «кулоновским взрывом». Каждый атом получает электрический заряд и разлетается в стороны от своих бывших соседей.

Звучит деструктивно, не так ли? Но именно в этом и заключается гениальность метода.

a Зависящее от времени KED ионов C⁺ для канала C⁴⁺/I⁴⁺/I⁵⁺. Белая пунктирная линия обозначает границу (32 eV), используемую для разделения сигналов от связанных и диссоциирующих молекул. Интенсивность в области под белой линией масштабирована на коэффициент 3 для повышения видимости канала диссоциации. b, c MFMDs для связанных (b) и диссоциирующих (c) молекул (события внутри красной и зелёной рамок с центром на 500 fs на панели (a)). d Среднее значение угла I-C-I в импульсном пространстве ∠ICI⁽ᴹ⁾ (определённого красным цветом на панели (b)) в зависимости от временной задержки NIR/X-ray для канала C²⁺/I³⁺/I³⁺. Квадраты представляют измеренные данные, а серая сплошная линия — смоделированные значения. Плашки погрешности отражают стандартную ошибку среднего. Числа на правой оси показывают значения угла в реальном пространстве ∠ICI⁽ᴿ⁾, соответствующие смоделированным углам ∠ICI⁽ᴹ⁾. Цитирование: Li, X., Boll, R., Vindel-Zandbergen, P. et al. Imaging a light-induced molecular elimination reaction with an X-ray free-electron laser. Nat Commun 16, 7006 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62274-z
Автор: Li, X., Boll, R., Vindel-Zandbergen, P. et al. Источник: www.nature.com

Реконструкция событий: по осколкам к истине

Представьте, что вы криминалист, прибывший на место взрыва. У вас нет видеозаписи самого происшествия, но есть разлетевшиеся во все стороны осколки. По их траектории, скорости и конечному положению вы можете с высокой точностью восстановить, что и где находилось за мгновение до взрыва и как именно он происходил.

Учёные делают то же самое, только на атомном уровне. Специальный детектор, реакционный микроскоп COLTRIMS, регистрирует траектории и скорости всех ионов, образовавшихся после «кулоновского взрыва». Анализируя эти данные, компьютер воссоздаёт полную картину того, что происходило с молекулой до того, как её уничтожила рентгеновская вспышка.

Меняя задержку между стартовым импульсом и рентгеновской вспышкой, можно делать «кадры» на разных стадиях реакции и затем монтировать их в полноценный фильм.

a Зависящая от времени суммарная KED ионов I⁴⁺ и I⁵⁺ для событий под белой линией на рис. 2a. Горизонтальная белая пунктирная линия на панели a показывает нижний предел (40 eV) суммарных энергий I⁴⁺ и I⁵⁺, соответствующих продуктам в виде связанного I₂⁺. Интенсивность в области с KE выше 85 eV (отмеченной вверху справа) масштабирована на коэффициент 2, чтобы лучше показать область, соответствующую образованию I₂⁺ при меньших длинах связи. b Нормированные проекции данных с панели a для 0 < τ < 200 fs (чёрный) и 600 fs < τ < 850 fs (красный). Плашки погрешности были рассчитаны с использованием распределения Пуассона. Чёрная штрихпунктирная линия обозначает среднее значение статического («только зондирующий импульс») экспериментального распределения. Заштрихованные области изображают смоделированную суммарную KED для межъядерного расстояния I-I, равного 2.58 Å (пурпурная) и 3.60 Å (зелёная). Смоделированные распределения нормированы таким образом, что их соответствующие максимумы совпадают с экспериментальными данными. c Зависящее от задержки среднее значение суммарной KE ионов I⁴⁺ и I⁵⁺, полученное из данных над белой пунктирной линией на панели a. Плашки погрешности отражают стандартную ошибку среднего. Данные аппроксимированы суммой функции ошибок и синусоидальной функции с периодом 250 fs. Правая ось показывает межъядерные расстояния образовавшегося продукта I₂⁺, для которых наши симуляции дают средние значения суммарных KE ионов I⁴⁺ и I⁵⁺, показанные на левой оси. Цитирование: Li, X., Boll, R., Vindel-Zandbergen, P. et al. Imaging a light-induced molecular elimination reaction with an X-ray free-electron laser. Nat Commun 16, 7006 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62274-z
Автор: Li, X., Boll, R., Vindel-Zandbergen, P. et al. Источник: www.nature.com

Танец йода: что увидели учёные?

Именно так исследователи и смогли проследить за грациозным атомным танцем. Они увидели, как два атома йода отделяются от метиленовой группы (CH₂) и сближаются, чтобы образовать новую, прочную связь.

Но самое интересное скрывается в деталях. Химические реакции редко идут по одному-единственному, гладкому пути. В данном случае возможны были и другие сценарии:

От молекулы отрывается только один атом йода, а второй остаётся на месте.
Молекула просто поглощает энергию и начинает колебаться, не распадаясь.

Удивительно, но метод оказался настолько точным, что позволил отделить основной процесс — образование молекулы I₂ — от этих побочных реакций. И это при том, что на долю «правильной» реакции приходилось всего около 10% всех событий! Это всё равно что в шумной толпе расслышать шёпот конкретного человека и понять, о чём он говорит.

Более того, «атомное кино» показало, что даже этот основной процесс протекает неоднозначно. Иногда оба атома йода отрывались от углерода одновременно (синхронный механизм), а иногда — по очереди (асинхронный). Раньше это были лишь теоретические модели, а теперь — экспериментально наблюдаемый факт.

Вишенкой на торте стало то, что учёные смогли разглядеть даже колебания новорождённой молекулы йода — её первое «дыхание» после образования.

a, c Моментальные снимки молекулярной структуры при различных временных задержках для двух репрезентативных траекторий, приводящих к образованию I₂⁺. b, d Временна́я эволюция расстояний между парами C-I и I-I для двух траекторий, проиллюстрированных на (a) и (c). e Схема угла в импульсном пространстве ∠I — I — C⁽ᴹ⁾ и его экспериментального распределения, зависящего от задержки. Направленные вверх белые треугольники и круги показывают результаты симуляций кулоновского взрыва, основанных на смоделированных траекториях (b) и (d) соответственно. Направленные вправо треугольники и ромбы отражают симуляции кулоновского взрыва при бо́льших временных задержках, для которых предполагается, что фрагмент CH₂ летит вдоль начальной оси симметрии молекулы (что соответствует пути 1) или под углом 55° к начальной оси симметрии молекулы (что соответствует пути 2) соответственно. Цитирование: Li, X., Boll, R., Vindel-Zandbergen, P. et al. Imaging a light-induced molecular elimination reaction with an X-ray free-electron laser. Nat Commun 16, 7006 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62274-z
Автор: Li, X., Boll, R., Vindel-Zandbergen, P. et al. Источник: www.nature.com

От фундаментальной науки к технологиям будущего

Хорошо, учёные сняли кино про молекулу. Что это значит для нас с вами?

Напрямую — пока ничего. Завтра в магазинах не появятся новые гаджеты, созданные благодаря этому открытию. Но его фундаментальное значение огромно. Понимание того, как на самом деле протекают химические реакции, — это ключ к управлению ими.

Новые материалы и катализаторы. Промышленность основана на катализе — процессах, которые ускоряют химические реакции. Если мы можем в деталях видеть, как работает катализатор, мы сможем создавать более эффективные его версии для производства топлива, пластиков и лекарств.
Химия атмосферы. Понимание механизмов распада и образования молекул в атмосфере поможет точнее моделировать климатические изменения и бороться с загрязнением воздуха.
Биология и медицина. Вся жизнь — это бесконечная череда сложнейших химических реакций. Возможность подсмотреть за ними на атомарном уровне открывает фантастические перспективы для понимания работы ферментов и создания лекарств нового поколения.

Это исследование — не конечная точка, а лишь первый, но решающий шаг. С будущими усовершенствованиями рентгеновских лазеров наши «атомные кинокамеры» станут ещё быстрее и зорче. Они позволят снимать более сложные и длинные «фильмы» с участием десятков атомов. И кто знает, какие тайны микромира они нам ещё откроют. Мы только что посмотрели первую серию захватывающего научного сериала. И, судя по всему, самое интересное ещё впереди.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник