Учёные впервые в реальном времени увидели, как атомы создают молекулу

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.

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).

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.

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.

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:

1. От молекулы отрывается только один атом йода, а второй остаётся на месте.
2. 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.

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.