Ученые раскрывают скрытую химию загрязнения воздуха
Исследователи пролили свет на сверхбыстрые атомные движения внутри молекул углеводородов, запускаемые светом. Понимание этих процессов критически важно, так как взаимодействие углеводородов со светом влияет на образование азотистой кислоты в атмосфере. Это соединение играет значительную роль в загрязнении воздуха. В недавнем исследовании ученые детально рассмотрели, как перенос протона (ядра атома водорода) внутри молекулы способствует этим фотохимическим реакциям. Особое внимание уделили молекуле орто-нитрофенола (o-нитрофенола).
Почему это важно?
Молекулы, подобные o-нитрофенолу, образуются при сжигании топлива и лесных пожарах. Взаимодействуя со светом в атмосфере, они могут распадаться, образуя азотистую кислоту (HONO). HONO, в свою очередь, под действием солнечного света распадается с образованием гидроксильных радикалов (OH). Эти радикалы являются чрезвычайно активными окислителями. Они запускают каскад химических реакций, приводящих к образованию смога и приземного озона – ключевых компонентов городского загрязнения воздуха. Поэтому понимание механизмов образования HONO имеет прямое отношение к прогнозированию и контролю качества воздуха.
Как увидели невидимое?
Чтобы “увидеть” движение атомов внутри молекулы o-нитрофенола, команда использовала метод сверхбыстрой электронной дифракции (UED). Исследование проводилось на установке MeV-UED в Национальной ускорительной лаборатории SLAC.
Как это работает:
- “Накачка”: Сначала ультракороткий лазерный импульс “ударяет” по молекулам o-нитрофенола. Это возбуждает их, давая энергию для запуска внутренних процессов.
- “Зондирование”: Сразу после лазера следует импульс из электронов высокой энергии. Эти электроны рассеиваются на атомах молекулы.
- “Снимок”: Картина рассеяния электронов фиксируется детектором. Она несет информацию о расположении атомов в данный конкретный момент времени.
Меняя задержку между лазерным и электронным импульсами, ученые смогли получить серию “снимков”. Эти снимки показывают, как меняется структура молекулы во времени. Весь процесс происходит за фемтосекунды (одна фемтосекунда — это одна миллионная доля от одной миллиардной доли секунды). Это позволяет создать настоящий “молекулярный фильм”.
Ключевой момент: Перенос протона
Исследователи впервые напрямую наблюдали, как после поглощения света в молекуле o-нитрофенола происходит сверхбыстрый перенос протона. Этот процесс известен как внутримолекулярный перенос протона в возбужденном состоянии (ESIPT).
Что происходит:
- Свет возбуждает молекулу.
- Почти мгновенно протон (ядро водорода) перемещается от одной части молекулы (гидроксильной группы -OH) к другой (нитрогруппе -NO2). Это занимает всего около 60 фемтосекунд.
- Молекула переходит в другую структурную форму, известную как кето-форма.
- Это перемещение запускает своеобразные “волны” колебаний атомов, которые распространяются по всей молекуле.
“Мы впервые смогли напрямую увидеть движение атомных ядер, которое сопровождает перенос протона,” — отмечают исследователи. Предыдущие методы могли отслеживать только изменения в электронном состоянии молекулы. Метод UED позволил зафиксировать именно физическое перемещение атомов.
Согласие с теорией и будущие перспективы
Полученные экспериментальные данные отлично совпали с теоретическими расчетами, проведенными коллегами из Эдинбургского и Брауновского университетов. Это подтверждает правильность современных моделей фотохимических процессов.
Понимание деталей ESIPT в o-нитрофеноле и подобных молекулах важно не только для атмосферной химии и проблем загрязнения воздуха. Эти знания могут быть полезны в разработке новых:
- Фотостабилизаторов (веществ, защищающих материалы от разрушения светом).
- Молекулярных переключателей, управляемых светом.
- Фотокатализаторов для химического синтеза.
Это исследование демонстрирует мощь современных экспериментальных методов. Они позволяют заглянуть в мир сверхбыстрых процессов на атомном уровне. Это открывает новые горизонты для понимания и управления химическими реакциями, в том числе теми, что формируют окружающую нас среду.