Исследователи из Европейского XFEL в Германии в реальном времени отследили движение отдельных атомов во время химической реакции в газовой фазе. Используя чрезвычайно короткие вспышки рентгеновского излучения, они смогли наблюдать формирование молекулы йода (I₂) после облучения молекул дииодометана (CH₂I₂) инфракрасным светом, что включает разрыв двух связей и образование новой.
Одновременно они смогли отличить эту реакцию от двух других путей реакции, а именно: отделения одного атома йода от дииодометана или возбуждения изгибных колебаний в связанной молекуле. Результаты, [опубликованы в Nature Communications], предоставляют новое понимание фундаментальных механизмов реакций, которые до сих пор было очень трудно различить экспериментально.
Инновационный экспериментальный подход
Так называемые реакции элиминирования, в ходе которых из большой молекулы образуются малые молекулы, занимают центральное место во многих химических процессах — от химии атмосферы до исследований катализаторов. Однако детальный механизм многих реакций, в которых несколько атомов разрывают и вновь образуют связи, часто остаётся неясным. Причина: процессы происходят за невероятно короткие промежутки времени — в фемтосекундах, или нескольких миллионных долях миллиардной доли секунды.
Для визуализации такой динамики реакции на экспериментальной станции SQS в Европейском XFEL использовался инновационный экспериментальный подход. Исследователи облучали молекулы дииодометана ультракороткими импульсами инфракрасного лазера, что запускало молекулярные реакции. Через несколько фемтосекунд интенсивные рентгеновские вспышки разрушали молекулы, заставляя их атомные компоненты разлетаться в «кулоновском взрыве».
Траектории и скорости ионов затем записывались с помощью устройства обнаружения, называемого COLTRIMS-микроскопом реакции (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) — одним из детекторных приборов на экспериментальной станции SQS, который предоставляется пользователям.
«Используя этот метод, мы смогли точно отследить, как атомы йода собираются, пока группа метилена отделяется», — объясняет Артём Руденко из Канзасского государственного университета (США), руководитель эксперимента. Анализ показал, что как синхронные, так и асинхронные механизмы способствуют образованию молекулы йода — результат, подтверждённый теоретическими расчётами.
Примечательно, что, «хотя этот путь реакции составляет всего около 10% от общего количества продуктов, мы смогли чётко отличить его от других конкурирующих реакций», — объясняет Ребекка Болл из инструмента SQS (Small Quantum Systems) Европейского XFEL в Шенфельде близ Гамбурга. Это стало возможным благодаря точному выбору определённых каналов фрагментации ионов и их временному анализу.
Кроме того, исследователи смогли отследить колебательное движение вновь образованной молекулы йода. «Теперь мы можем более непосредственно наблюдать, как изолированная молекула разрывает и образует связи во время химической реакции — в реальном времени и с атомной точностью», — говорит Сян Ли, первый автор публикации и учёный из Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США.
Это важный шаг на пути к истинному пониманию химических процессов. Эти наблюдения не только предоставляют подробную картину механизмов реакций, но и открывают новые возможности для изучения более сложных химических процессов.
В будущем эти методы будут распространены на ещё более крупные молекулы и более сложные реакции. Благодаря запланированным техническим усовершенствованиям рентгеновского лазера European XFEL в будущем можно будет получить ещё более быстрые и подробные сведения о мире сверхбыстрой молекулярной динамики.
Предоставлено [European XFEL].