Ученые сняли "молекулярное видео" демонстрирующее сверхбыстрые химические превращения - «Наука и технологии»

Ученые из Национальной лаборатории линейных ускорителей SLAC впервые провели отслеживание сверхбыстрых структурных изменений кольцевых молекул газообразного вещества во время его взрыва. Такая сверхскоростная съемка позволяет изучать в реальном времени процессы, время протекания которых исчисляется единицами, десятками и сотнями фемтосекунд, миллионных долей от миллиардной доли секунды. И разработанная учеными технология съемки открывает двери широкому кругу исследований химических реакций, некоторые из которых играют основную роль в биологических процессах, определяющих функционирование всех живых организмов на Земле.

"Это именно то, для чего изначально создавался сверхбыстрый рентгеновский источник LCLS. Благодаря ему, мы в реальном времени можем наблюдать, как прямо на наших глазах происходят некоторые химические превращения, то, что невозможно увидеть никаким другим методом" - рассказывает Майк Минитти (Mike Minitti), ученый из лаборатории SLAC, - "Но то, чего нам удалось добиться сегодня, еще не полностью раскрывает все возможности источника LCLS, в будущем мы сможем отслеживать вплоть до атомарного уровня еще более сложные реакции, в которых задействованы молекулы с более сложной структурой".

В своих исследованиях ученые использовали молекулы 1,3-cyclohexadiene (CHD), маленькие кольцевые органические молекулы вещества биологического происхождения. Во время эксперимента ученые отслеживали то, как одна из связей кольца разрывается и кольцо разворачивается в линейную структуру. Для этого ученые перевели молекулы CHD в возбужденное энергетическое состояние при помощи импульсов ультрафиолетового лазера, что послужило толчком для начала процесса структурных изменений. Потом на эти молекулы были "наведены" чрезвычайно короткие импульсы рентгеновского лазера LCLS, следовавшие через строго определенные временные интервалы.

В результате этого ученые собрали более 100 тысяч "стробоскопических" снимков, на которых фиксировалось рассеянное электронами и ярами атомов изменяющейся молекулы рентгеновское излучение. Эти данные были пропущены через специальные алгоритмы компьютерного моделирования, которые выявили наиболее вероятные процессы распутывания молекулы в течение первых 200 фемтосекунд после начала процесса. Эти модели демонстрируют весь процесс в самых мельчайших деталях, вплоть до движений и перемещений отдельных атомов.

Каждый кадр отделяет от предыдущего временной интервал в 25 квадриллионных долей секунды, что приблизительно в 1.3 триллиона раз быстрее, нежели частота кадров, с которой ведется обычная видеосъемка. "Это является замечательным достижением, позволяющим наблюдать молекулярные изменения и движения с такой невероятной временной разрешающей способностью" - рассказывает Майк Минитти.

"Эти исследования являются отправной точкой для исследований, связанных с большими и сложными молекулами, что поможет нам понять все тонкости сложных процессов, играющих самую важную роль во всей окружающей нас биохимии" - завершил Майк Минитти.