Ученые смогли добиться изменения формы молекул и их возвращения в первоначальное состояние с помощью синхронизированных лазеров. Рассмотрим, как этот метод открывает новые горизонты для контроля химических реакций на базовом уровне.
Специалисты из Института Фрица Хабера разработали метод, который позволяет контролировать форму молекул с использованием двух синхронизированных инфракрасных лазеров. Этот новый подход предоставляет глубокое понимание микроскопических процессов, влияющих на химические реакции, и дает возможность получить уникальный «молекулярный отпечаток» — индивидуальный «почерк» каждого вещества.
Химические реакции можно рассматривать как перемещение молекул по холмистому энергетическому ландшафту. Чтобы перейти в новое стабильное состояние («долину»), молекула должна преодолеть энергетические барьеры — «горы». Исследователи сосредоточились на том, как именно свет заставляет молекулу изменять свою трехмерную форму, перемещаясь между этими состояниями.
В более ранних экспериментах группа заметила необычное отсутствие спектральных сигналов, что указывало на структурные изменения под воздействием света. Для подробного изучения этого процесса был необходим новый подход.
Для обеспечения чистоты эксперимента ученые поместили ионы молекул в капли сверхтекучего жидкого гелия при температуре, близкой к абсолютному нулю. Это позволило быстро охладить частицы, сохранив их способность поглощать свет в течение длительного времени. Однако возникла проблема: если молекула меняла форму раньше, чем успевала поглотить достаточное количество фотонов для измерения, сигнал пропадал. Команда решила эту задачу с помощью уникального лазера на свободных электронах FHI-FEL. Установка включает два независимо настраиваемых ИК-лазера: первый лазер переводил молекулу в другую конформацию, а второй — выборочно возвращал её в исходное состояние. Это обеспечивало стабильное поглощение света.
Длительное время возбуждения и быстрое охлаждение позволили полностью конвертировать изомеры и получить детальный «молекулярный отпечаток», который оставался бы скрытым при использовании одного лазера. Успех был достигнут благодаря модернизации лазера на свободных электронах института. Электронный пучок делится на две части, которые вводятся в отдельные оптические полости с независимыми настройками. Это обеспечивает идеальную синхронизацию и позволяет генерировать два луча в широком диапазоне длин волн — от 2,8 до 165 микрометров.
Таким образом, у специалистов появился мощный инструмент для контроля структуры молекул и изучения динамики химических реакций. В будущем это откроет новые возможности для разработки катализаторов и понимания химии на самом базовом уровне.
Фото: hi-tech.mail.ru