Ученые, используя возможности рентгеновского лазера с Национальной лаборатории линейных ускорителей SLAC, впервые в истории сделали снимки, на которых запечатлен момент переходного состояния, когда между двумя атомами только начинает устанавливаться слабая связь, что в дальнейшем приведет к формированию стабильной молекулы. Данное достижение окажет огромное влияние на глубину понимания того, как на самом деле начинаются и происходят химические реакции, используемые людьми для получения энергии, для создания новых химических соединений, лекарственных препаратов и многого другого.
«То, что мы видели, является основой всей химии. Это то, что мы по праву считаем Священным Граалем этой области науки» — рассказывает Андерс Нильсон (Anders Nilsson), профессор из Стэнфордского университета и сотрудник лаборатории SLAC, — «Во время химических реакций молекулы и атомы находятся в таком переходном состоянии крайне короткое время и в не поддающиеся прогнозированию моменты времени, и никто не думал, что когда-нибудь мы будем в состоянии увидеть все это вживую».
Данные эксперименты проводились при помощи источника SLAC Linac Coherent Light Source (LCLS). Этот источник вырабатывает освещающие атомы и молекулы очень интенсивные и очень короткие импульсы рентгеновского излучения, длина которых позволяет делать снимки, время экспозиции которых крайне и крайне мало. Это, в свою очередь, позволяет фиксировать даже отдельные этапы химических реакций с точностью, которая ранее была попросту недостижима.
Химической реакцией, которую изучали ученые при помощи лазера LCLS, является реакция каталитического горения (окисления) угарного газа (CO), которая широко используется во всех автомобильных катализаторах. Реакция происходит на поверхности каталитического материала, который захватывает молекулы угарного газа и кислорода. В случае, если вышеупомянутые молекулы находятся достаточно близко, молекула кислорода расщепляется на два атома, один из которых реагирует с молекулой угарного газа, образуя молекулу углекислого газа.
В эксперименте использовался катализатор на основе рутения, а химическая реакция инициировалась при помощи импульса оптического лазера, который нагревал катализатор до температуры в 2 тысячи градусов по шкале Кельвина. Столь высокая температура весьма активного каталитического вещества служила гарантом того, что двигающиеся с большой скоростью молекулы будут интенсивно сталкиваться друг с другом и вступать в химическую реакцию.
Наблюдения за происходящими процессами производились при помощи импульсов рентгеновского лазера LCLS. Малая длина этих импульсов позволяла фиксировать даже изменения в положении электронов атомов, задействованных в химической реакции. И эти изменения, которые происходили всего за несколько фемтосекунд, являлись признаками формирования новых химических связей.
«Мы выяснили, что первой начиналась активизация атомов кислорода. Немного позже происходила активизация молекул угарного газа» — рассказывает Андерс Нильсон, — «Они начинали сильно вибрировать и немного перемещаться в сторону друг друга. По истечению нескольких триллионных долей секунды они сталкивались и переходили в промежуточное состояние, после чего происходило быстрое формирование новой молекулы».
Все, что удалось увидеть ученым из лаборатории SLAC, вскоре будет проверено экспериментами других групп ученых, работающих на других инструментах, после чего результаты данных исследований можно будет считать полностью достоверными. А ученые лаборатории SLAC уже сейчас начали планировать изучение переходных состояний во время проведения других каталитических химических реакций, продуктами которых являются соединения, широко используемые в различных отраслях современной промышленности, что, по их мнению, позволит разработать новые высокоэффективные каталитические составы для этих реакций.
