Взаимодействие отдельных атомов в химической реакции отследили в реальном времени
Ученые впервые отследили в реальном времени движение отдельных атомов в химической реакции в газовой фазе. Эксперимент, описанный в Nature Communications, проводился на Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах XFEL под Гамбургом.
Так называемые реакции элиминирования, в которых из более крупной молекулы образуются мелкие, играют ключевую роль во многих химических процессах — от атмосферной химии до исследований катализаторов. Однако детальный механизм этих процессов, в ходе которых атомы разрывают и заново образуют связи, часто остается неясным, поскольку происходят они чрезвычайно стремительно — буквально за фемтосекунды (миллионные доли миллиардной доли секунды).
Для визуализации такой динамики был применен инновационный экспериментальный подход с применением инструмента Small Quantum Systems (SQS). Для запуска реакции молекулы дииодметана CH₂I₂ облучали короткими вспышками инфракрасного лазера и — почти сразу — мощными импульсами рентгеновского лазера. Рентген инициировал кулоновский взрыв, разбрасывающий ионы и атомы — а их траектории и скорости ионов фиксировались детектором COLTRIMS (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy).
«С помощью этого метода мы смогли точно отследить сборку атомов йода при отщеплении метиленовой группы», — говорит физик Артем Руденко из Университета штата Канзас, руководивший экспериментом.
Анализ показал, что в образовании молекулы йода участвуют как синхронные, так и асинхронные механизмы — результат, подтвержденный теоретическими расчетами.
«Хотя этот путь реакции составляет лишь около 10% продуктов, мы смогли четко отличить его от других конкурирующих реакций», — довольна Ребекка Болл, работающая на SQS.
Это стало возможным благодаря точному выбору конкретных каналов фрагментации ионов и их временному анализу. Кроме того, исследователи смогли проследить колебательное движение образовавшихся молекул йода.
«Теперь мы можем более непосредственно наблюдать, как изолированная молекула разрывает и образует связи во время химической реакции — в реальном времени и с атомарной точностью», — поделился первый автор публикации Сян Ли из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США).
Это важный шаг к истинному пониманию химических процессов. Такие наблюдения не только дают детальную картину механизмов реакций, но и открывают новые пути для исследования более сложных химических процессов.
Исследователи рассчитывают провести аналогичные эксперименты с более сложными молекулами, чтобы в конечном итоге научиться тонкому управлению химическими реакциями и дизайну молекул с заданными свойствами. Планы эти вполне реалистичны, поскольку ожидается модернизация рентгеновского лазера Европейского XFEL.
