Атом за атомом. Ученые впервые отследили мгновенное перераспределение энергии в молекуле
Международная группа ученых сделала важный шаг в понимании фундаментальных фотохимических процессов, научившись отслеживать перемещение энергии внутри молекулы сразу после поглощения ею света.
Исследование показало, что во время таких трансформаций отдельные атомы в одной и той же молекулярной структуре могут фиксировать совершенно разные этапы преобразования энергии.
Для проведения эксперимента авторы работы использовали ультракороткие рентгеновские вспышки, генерируемые на Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах (European XFEL). Объектом исследования стала молекула 3-фторпиридина — небольшая кольцеобразная структура, содержащая атомы азота и фтора. При поглощении энергии ультрафиолетового лазерного импульса электроны этой молекулы мгновенно переходят в более высокое энергетическое состояние. После этого молекула быстро изгибается, теряя свою привычную плоскую форму.
Изменяя конфигурацию, молекула проходит через так называемое коническое пересечение — кратковременную, но критически важную точку, где движение электронов и атомных ядер становится тесно взаимосвязанным. Это позволяет быстро перенаправить энергию от электронного возбуждения к структурным колебаниям. После прохождения этого участка молекула возвращается в основное состояние, а избыточная энергия распространяется по всей её структуре в виде вибраций.
Благодаря методу времяразрешающей рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (tr-XPS) на установке Small Quantum Systems (SQS) ученые смогли измерить отклик отдельных атомов с интервалом в пару пикосекунд (триллионных долей секунды). Выяснилось, что атом фтора служит наглядным индикатором затухания общих колебаний молекулы, тогда как атом азота отражает более сложную картину — как перераспределение электронов, так и изменение самой геометрии.
По словам соавтора исследования Антонио Пикона из Института материаловедения Мадридского Высшего совета по научным исследованиям (ICMM-CSIC), каждый атомный узел предоставляет уникальную информацию: одни атомы указывают направление движения заряда, а другие — колебания всей молекулы.
Этот метод открывает возможность анализировать сверхбыстрые химические реакции на атомном уровне в режиме реального времени. В перспективе эти знания помогут лучше понять, как ДНК противостоит разрушительному воздействию света, а также оптимизировать материалы, предназначенные для улавливания и передачи световой энергии.