Molekula ir kļuvusi par pasaules mazāko filmu zvaigzni.
Pirmo reizi zinātnieki ir novērojuši ķīmisku reakciju, kā tā notiek molekulārā līmenī ar ātrumu, kas iepriekš bija pārāk ātrs, lai to redzētu. Eksperiments varētu sniegt ieskatu par to, kā uzvedas sarežģītas molekulas un kāpēc tās iegūst tādas formas, kādu tās dara.
SLAC Nacionālajā paātrinātāja laboratorijā pētnieku grupa izmantoja divus lāzera starus - vienu ultravioletā un otru rentgena viļņu garumā -, lai iegūtu attēlu no ķīmiskas vielas, ko sauc par 1,3-cikloheksadiēnu (CHD), kad tā pietuvojās citai forma, ko sauc par 1,3,5-heksatriēnu. Viņi notvēra reakcijas attēlus femtosekundēs vai sekundes miljardās daļas. [Noskatieties īpaši ātru molekulāro filmu]
"Mēs zinām, kā izskatās CHD," Maikls Minitti, jaunā pētījuma galvenais autors un SLAC personāla zinātnieks pastāstīja WordsSideKick.com. "Jautājums bija par soļiem starp vienu formu un otru."
CHD ir izgatavots no sešiem oglekļa atomiem gredzenā ar ūdeņraža atomiem ārpusē, piemēram, spieķiem. Kad tam nonāk noteikta viļņa garuma ultravioletā gaisma, viena no oglekļa saitēm saplīst un CHD pārvēršas 1,3,5-heksatrienē. Pēdējā ķīmiskā viela ir izgatavota no tiem pašiem ķīmiskajiem elementiem, bet ir sakārtota, lai veidotu atšķirīgu formu.Šādas reakcijas sauc par elektrocikliskām, un tās parādās daudzās dažādās vietās - piemēram, tas ir viens no veidiem, kā dzīvnieki no saules gaismas sintezē D vitamīnu. Lai arī elektrocikliskās reakcijas ir izplatītas, tās nav tik labi izprotamas. Liels jautājums fizikāliem ķīmiķiem ir par to, kas notiek ar tādu molekulu kā CHD pēc tam, kad to ietekmē UV gaisma, bet pirms tā pārvēršas par 1,3,5-heksatriēnu.
Lai izveidotu savu filmu, pētnieki vispirms ievietoja CHD gāzveida formu kamerā ar ļoti zemu spiedienu. Pēc tam viņi no tā izšāva ultravioleto lāzeru, pārraujot vienu no oglekļa saitēm. Nākamais solis bija izmantot rentgena lāzeru, lai molekulu sakodtu. Rentgena lāzera zibspuldzes ilga tikai dažas femtosekundi, jo visa reakcija no CHD līdz heksatrienei notiek mazāk nekā 200 femtosekundēs.
Rentgenstari, kas izkaisīti no molekulām, un, aplūkojot gaismas un tumšās krāsas modeli detektorā, pētnieki varēja nolasīt molekulas formu. Rentgenstaru lāzera atkārtota izlaišana nelielas sekundes daļas laikā parādīja, kā laika gaitā forma mainījās.
Metode ir līdzīga rentgenstaru difrakcijai, ko izmanto, izmeklējot DNS vai kristālu struktūru. (Faktiski DNS struktūra tieši šādā veidā tika atklāta pagājušā gadsimta 50. gados.) Tomēr ir būtiskas atšķirības: rentgenstaru difrakcija laika gaitā neko nemēra, tāpēc iegūtais attēls ir statisks; rentgenstarus šajā jaunajā eksperimentā ģenerēja ar lāzeru; un CHD ir gāze, atšķirībā no DNS molekulas. "Gāzes molekulām nav struktūras," sacīja Minitti. "Izskatās, ka kāds šķaudīja detektoru."
Kad ķīmiķi redz, kā mainās forma, tas viņiem stāsta, kā šādas ķīmiskas vielas pārveidojas īpašā veidā, kas iepriekš nebija zināms. Molekulām ir tendence sasniegt minimālas enerģijas stāvokļus, tāpat kā bumbiņai, kas ripo starp diviem pakalniem, būs tendence nokrist līdz apakšai un tur palikt. Reģioni ar augstu un zemu potenciālu saturošu enerģiju ieskauj molekulu, un, kad šī molekula maina formu, tās atomiem būs tendence palikt reģionos ar zemu enerģijas patēriņu. Tas nozīmē, ka formas ir specifiskas, un, zinot, kas tās ir, piedāvā ieskatu procesos, kas veido galīgās formas.
Kamēr pētnieku komanda varēja redzēt CHD izmaiņas, izšķirtspēja laikā - atbilstoši “kadru” skaitam parastajā filmā - nebija pietiekami augsta, lai redzētu katru soli, sacīja Minitti. Katrs "kadrs" bija apmēram 25 femtosekundi, tāpēc animācijā būtu aptuveni astoņi. Nākamajā eksperimentā, kas paredzēts 2016. gada janvārī, viņš cer iegūt labāku priekšstatu par izmaiņām ar mazāku intervālu. Pat ja tā, jaunais eksperiments parāda, ka šāda molekulārā filmu veidošana ir iespējama.
Pētījums ir detalizēti aprakstīts žurnāla Physical Review Letters 22. jūnija numurā.
Seko mums@wordssidekick, Facebook un . Oriģināls raksts par WordsSideKick.com.
Pirmo reizi zinātnieki ir novērojuši ķīmisku reakciju, kā tā notiek molekulārā līmenī ar ātrumu, kas iepriekš bija pārāk ātrs, lai to redzētu.