Диссоциация атомов водорода наблюдается в реальном времени благодаря новому типу сверхбыстрой камеры
Исследователи из SLAC и Стэнфорда разработали инновационную методику наблюдения за движением атомов водорода в молекулах аммиака с помощью сверхбыстрой дифракции электронов. Такое детальное изучение переноса протонов и реакций диссоциации атомов открывает путь к более глубокому пониманию химических и биологических реакций. Последствия этого исследования простираются от структурной биологии до химии, давая ключ к пониманию фундаментальных механизмов реакций.
Понимание молекулярных механизмов играет центральную роль в нашей способности расшифровать сложные процессы, лежащие в основе химических и биологических реакций. Эти процессы повсеместно распространены в нашем окружающем мире и влияют на все — от функций организма до технологических инноваций. В центре этой сложной системы находится атом водорода. Его динамика, в частности способность связываться и отделяться от других атомов, имеет решающее значение для многих реакций.
Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Стэнфордского университета недавно пролили свет на движение этих атомов в молекулах аммиака, предложив новый взгляд на перенос протонов. Исследование опубликовано в журнале .
Важность переноса протонов
Перенос протона — перемещение протона от одной молекулы к другой — является фундаментальным элементом многих химических и биологических реакций, влияющим на такие жизненно важные процессы, как ферментативный катализ. В данном случае ферменты ускоряют химические реакции и работу протонных насосов в клетках, которые играют важнейшую роль в поддержании кислотно-щелочного баланса и производстве энергии. Скорость, с которой происходят эти переносы протонов, часто в фемтосекундном диапазоне (10-15 секунд), делает их наблюдение и детальное понимание особенно сложным и тонким.
Традиционные методы изучения этих реакций, такие как использование рентгеновского излучения, наталкиваются на серьезные препятствия. Хотя рентгеновское излучение дает ценную информацию о структуре молекул, оно не может быть использовано для изучения движения протонов. Это объясняется тем, что рентгеновские лучи взаимодействуют в основном с электронами в атомах, а не с атомными ядрами. Они не особенно чувствительны к движению протонов, которые являются ядрами атомов водорода. В результате хотя рентгеновское излучение и позволяет получить детальные изображения молекулярных структур, оно не позволяет эффективно уловить быструю динамику протонов в ходе химических реакций.
Использование сверхбыстрой дифракции электронов
Для преодоления этих ограничений исследователи использовали MeV-UED - камеру для дифракции сверхбыстрых электронов в SLAC. Этот метод использует высокоэнергетический пучок электронов для исследования структуры молекул и наблюдения структурных изменений в реальном времени с чрезвычайно высоким временным разрешением.
В частности, объектом исследования стали молекулы аммиака, состоящие из одного атома азота и трех атомов водорода. Задача состояла в том, чтобы проследить динамику атома водорода, когда он отделяется от ядра азота в молекуле аммиака. Для этого с помощью ультрафиолетового излучения диссоциировала, или разрывалась, одна из водородно-азотных связей в молекуле. Энергия ультрафиолетового излучения использовалась для разрыва химической связи между этими атомами.
Затем через молекулу был направлен пучок электронов. При прохождении электронов через молекулу они дифрагировали, или рассеивались, на атомах молекулы. Улавливая и анализируя эти дифрагированные электроны, исследователи могут получить подробную информацию о структуре молекулы и структурных изменениях, происходящих в ходе реакции. В частности, они смогли проследить, как атом водорода отделяется от ядра азота, и какие структурные изменения происходят при этом в молекуле.
Соавтор исследования, научный сотрудник SLAC Томас Вольф, поясняет в пресс-релизе: "Иметь в одном эксперименте что-то, чувствительное к электронам, и что-то, чувствительное к ядрам, чрезвычайно полезно". Он добавляет: "Если мы сможем увидеть, что происходит первым при диссоциации атома - ядра или электроны делают первый шаг к разделению, — мы сможем ответить на вопросы о том, как происходят реакции диссоциации".
Значительные последствия для химии и биологии
Возможность отслеживать протоны в процессе диссоциации имеет большое значение для понимания механизмов переноса протонов в химии и биологии. UED открывает новые возможности для прямого наблюдения этих процессов в реальном времени и с атомным разрешением. В перспективе это позволит найти новые подходы к управлению этими реакциями в таких областях, как катализ, синтез лекарств и др.
В дальнейших экспериментах исследователи планируют использовать для сравнения результатов рентгеновское излучение, получаемое на рентгеновском лазере LCLS (Linac Coherent Light Source), расположенном в SLAC. Они также намерены повысить интенсивность электронного пучка и улучшить временное разрешение для разрешения отдельных стадий диссоциации протонов.