Игорь Лалаянц
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
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.
