0
4001
Газета Наука Печатная версия

10.04.2013 00:01:00

Рентгеновское кино

Вечный двигатель фотосинтеза рассмотрели в реальном режиме времени

Тэги: наука, биология


наука, биология Молекулы СО «осаждаются» на поверхности рутениевого катализатора, после чего возбуждаются синим квантом оптического лазера. На второй стадии начинается «съемка» протекания процесса с помощью сверхкоротких рентгеновских импульсов (зеленых). Фото из журнала Science

Пару лет назад осуществилась наконец-то мечта ученых получить «микроскоп» с таким разрешением, которое позволяло бы видеть не только квантовые объекты, но и протекание молекулярных процессов в режиме реального времени. Для этого нужен был не свет с гигантскими по квантовым масштабам длинами его волн (сотни нанометров), а квант рентгеновского излучения с предельно короткой длиной волны и соответственно ничтожно малой продолжительностью. Подобный инструмент потребовал создания сверхмощного линейного ускорителя пучка свободных электронов, который при своем отклонении как раз излучает избыток энергии очень коротких рентгеновских импульсов.
Столь мощный рентгеновский микроскоп позволил увидеть, например, атомную структуру огромного молекулярного комплекса, каковым является фотосистема-2 с массой под миллион углеродных единиц. Интерес к ней связан с пониманием природы фотосинтеза, то есть квантовых механизмов трансформации-преобразования энергии фотона солнечного света в энергию химических связей. Именно фотосинтез является тем «вечным двигателем», который поддерживает на ходу основную часть биосферы Земли. Определенная ее часть, например открытая недавно нашими исследователями в Антарктиде в виде микробов, живущих при давлении 400 атмосфер, в фотосинтезе не нуждается, поскольку использует другие малоэнергоемкие источники.
Как и обычных людей, статические фото мало удовлетворяют ученых, поэтому они всегда стремятся зафиксировать изучаемые процессы в динамике. Так мир более века назад перешел к кино, без которого сегодня никто не мыслит своего существования. Для регистрации быстро протекающих процессов нужны камеры, делающие миллионы снимков в секунду. Однако и им не по плечу мгновенно протекающие квантовые процессы – например, химические реакции между молекулами и атомами катализаторов.
Вот почему с таким интересом была встречена статья, появившаяся недавно в журнале Science. Речь идет о первом «кино», показывающем взаимодействие – хемосорбцию – молекул угарного газа (СО) с поверхностными атомами рубидия. Последние выступали в роли катализатора, переходящего в возбужденное состояние (exciting) после воздействия на них фемтосекундных (в миллион раз более коротких, нежели наносекундные) импульсов лазерного излучения. Ученые увидели изменения электронной структуры на фоне ослабления связи молекулы с рубидиевой подложкой-субстратом. Однако, к их удивлению, при этом не происходило десорбции, или «отрыва», от катализатора.
Впервые также удалось воочию убедиться в реальности существования так называемых переходных, или транзиентных, состояний около 30% молекул, готовящихся к десорбции-отрыву от поверхности катализатора. При этом авторы рассчитали свободную энергию молекул, включая ван-дерваальсовы взаимодействия, что очень важно для специалистов в области квантовой химии.
При съемке этого «кино» ученые увидели образование двух колодцев – wells, – разделенных энтропийным барьером (энтропия, как известно, является мерой беспорядка). Все это позволяет по-новому взглянуть на взаимодействие молекул с металлами. Сами авторы статьи тоже были возбуждены, что отразилось в их комментарии: «Мы совершили квантовый скачок в неизведанное».
Их «кино» представлено тремя сериями. На первой стадии молекула монооксида углерода (СО) связывается с поверхностью рутениевого кристалла. Начало (инициация) химической реакции происходит после «попадания» кванта оптического лазера, что давно используется в квантовой химии. А затем рентгеновский импульс произносит команду «мотор», благодаря чему ученые получили возможность проследить ход реакции с ее самых первых квантовых шагов.
Новое кино найдет самое широкое применение индустрии – например, в той же автомобильной, где инженеры и химики борются за чистоту выхлопа с помощью катализаторов-дожигателей. Не останутся в стороне специалисты, работающие над созданием синтетического горючего и над развитием альтернативных источников энергии.
Нельзя забывать и о врачах, которым довольно часто приходится сталкиваться с пострадавшими от действия угарного газа на гемоглобин крови. Известно, что СО очень прочно связывается с железом гема, в результате чего нарушается газообмен в легких. Фармакологи с помощью нового квантового кино получат возможность разработать эффективные антидоты, спасающие жизни людей.    

Комментарии для элемента не найдены.

Читайте также


Власти Ирана восстановили доступ в интернет в провинции Хормозган

Власти Ирана восстановили доступ в интернет в провинции Хормозган

0
865
Госдеп одобрил продажу ВМС Индии артиллерийских систем на $1 млрд

Госдеп одобрил продажу ВМС Индии артиллерийских систем на $1 млрд

0
527
Глава кабмина Белоруссии направился с рабочим визитом в Великобританию

Глава кабмина Белоруссии направился с рабочим визитом в Великобританию

0
730
Санду пообещала "вернуть Молдову на европейский путь"

Санду пообещала "вернуть Молдову на европейский путь"

0
324

Другие новости

Загрузка...
24smi.org