Как мы узнаём, что происходит на молекулярном уровне во время чрезвычайно быстрых процессов, таких как горение при воспламенении?
За доли секунды одно химическое соединение сменяется другим в пламени, а затем они рассеиваются, уступая место новым. Понимание того, какие молекулы присутствуют, даёт учёным ключ к разгадке внутреннего механизма происходящих химических процессов.
Однако традиционные методы измерения размеров молекул не справляются с такими быстрыми переходными процессами. Конвенциональная оптическая микроскопия не только не обеспечивает необходимой скорости, но и не может пространственно разрешить молекулы, размер которых обычно составляет всего несколько нанометров или миллиардных долей метра.
Команда Калифорнийского технологического института под руководством Лихун Вана разработала новый инструмент под названием Compressed Ultrafast Planar Polarization Anisotropy Imaging (CUP2AI), который позволяет получить представление о динамических событиях. Этот инструмент может найти применение не только в исследованиях горения, но и в таких областях, как разработка лекарств и формирование наночастиц.
В статье, недавно опубликованной в журнале Nature Communications, Ван и его коллеги представляют технику CUP2AI и описывают её успешное использование для визуализации канцерогенных химических веществ в пламени и в воде.
«Когда событие происходит быстро, вы хотите увидеть всё событие в динамике», — говорит Ван. «Вы хотите понять физический процесс в пространстве и времени, и именно это позволяет сделать наша новая технология высокоскоростной визуализации».
Принцип работы CUP2AI
Пэн Ван, бывший научный сотрудник группы Лихун Вана, который является одним из ведущих авторов новой статьи вместе с Ёгешвар Натх Мишра из Калифорнийского технологического института, JPL и Индийского технологического института в Джодхпуре, а также Флориан Й. Бауэр из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге в Германии, объясняет:
«Чтобы полностью понять, что происходит, учёные должны изучить пламя, используя различные виды топлива, а это означает, что химические реакции будут происходить по-разному. Затем необходимо учесть изменённые условия, и в каждом случае будут происходить модифицированные химические реакции, производящие уникальное подмножество молекул».
Если мы сможем определить размер молекулы, мы сможем понять, как происходят эти реакции для разных видов топлива в разных условиях. Поскольку горение используется в автомобилях, самолётах и даже ракетах, нам необходимо понять эти химические реакции. Это позволит нам создать более эффективные двигатели внутреннего сгорания. Мы также потенциально сможем помочь сократить количество загрязняющих веществ, образующихся при горении.
CUP2AI основан на предыдущих разработках в лаборатории Вана, которые привели к созданию самой быстрой в мире камеры, а также серии сверхбыстрых методов визуализации с помощью техники, называемой сжатой сверхбыстрой фотографией (CUP).
Новый метод основан на поляризации света. Подобно длине волны и интенсивности, поляризация является фундаментальным свойством света и представляет собой направление, в котором ориентирована электрическая составляющая световой волны по отношению к общему направлению её распространения. Оказывается, поляризация флуоресцентного света связана с ориентацией молекулы, которая его излучает.
Чтобы понять это, сначала представьте, что молекулы всегда движутся. Одним из способов их движения является поступательное — то есть из одного места в другое. Вторым — вращательное, связанное с вращением вокруг одной или нескольких осей.
«Характеристики этого второго типа движения определяются размером молекулы», — говорит Пэн Ван. «Как вы можете себе представить, чем больше молекула, тем сложнее ей вращаться».
Когда лазерный луч взаимодействует с молекулой, электроны в молекуле возбуждаются до более высокого энергетического состояния. Когда они возвращаются в более низкое энергетическое состояние, они испускают фотоны, создавая флуоресцентное излучение, которое затухает в течение некоторого периода времени.
Для молекул, возбуждённых линейно поляризованным лазером, эта флуоресценция будет иметь определённую степень поляризации. Но эта поляризация будет быстро меняться в масштабах времени, измеряемых миллиардными или триллионными долями секунды, и именно это измеряет CUP2AI.
В частности, CUP2AI выполняет два различных измерения поляризации — одно параллельно направлению поляризации лазерного луча и одно перпендикулярно этому направлению. Первоначально большая часть флуоресценции исходит от параллельной поляризации, но со временем вращение увеличивает количество поляризации в перпендикулярном направлении, делая разницу, или анизотропию, всё меньше и меньше. Скорость изменения этой анизотропии определяется размером молекулы.
«Чем больше молекула, тем медленнее будет затухать эта разница, и это позволяет нам определить размер молекулы», — говорит Пэн Ван. Он добавляет, что другие методы, которые использовались для измерения размера молекул в динамических средах, могли определять размер только в одной точке или усреднять весь образец. «Наш инструмент — первый, который может создать двумерную карту флуоресценции за один снимок», — говорит он.
Лихун Ван добавляет, что связь между размером молекулы и затуханием анизотропии поляризации основана на уравнении, первоначально выведенном знаменитыми учёными Альбертом Эйнштейном, Джорджем Стоксом и Питером Дебаем. «Таким образом, мы объединяем классическую физику с современными технологиями и применяем её к актуальной проблеме — эффективности горения, которая связана с энергетикой», — говорит он. «Это меня вдохновляет».
Предоставлено Калифорнийским технологическим институтом.