С помощью ультракоротких импульсов рентгеновского излучения исследователи из Института Макса Борна В Берлине впервые смогли определить положение электронов и ионов в пространстве в процессе химической реакции.

В ходе химической реакции новое соединение образуется из одной или нескольких исходных частиц, на молекулярном уровне происходит изменение пространственного расположения электронов и зарядов ядер. Хотя в настоящее время определение строения исходного вещества и продукта реакции практически не представляет собой сложности, строение переходного состояния реакции или движение молекул в ходе химических процессов практически остается неопределенным до настоящего времени. Вместе с тем, информация о переходном состоянии зачастую является ключом для управления химической реакцией.

Голубой мечтой химиков является «микроскоп для химической реакции», который позволил бы наблюдать за поведением участников химической реакции in situ. Лишь недавно появились технические возможности для съемки «блокбастеров» из жизни молекул. Так, с помощью ультракоротких рентгеновских импульсов исследователи из Института Макса Борна смогли «снять кино», зафиксировав процессы, протекающие с частицами размером 10^–10 метров за время 10^–13, изучив протекание химических реакций, связанных с миграцией протонов в кристаллическом сульфате аммония [(NH₄)₂SO₄].

Рис. 1. Кристаллическая решетка сульфата аммония (сера – желтая, кислород – красный, азот – синий, водород – серый). Протоны, через которые проведена пунктирная линия, покидают ионы аммония и под воздействием электронов кислорода переносятся к другому атому азота, снова образуя ион аммония, таким образом, находясь в одной из двух позиций в пространстве. (Рисунок из The Journal of Chemical Physics, 2010; 133 (6): 064509 DOI: 10.1063/1.3469779).

C помощью мощной фемосекундной лазерной системы исследователи смогли получить импульсы синего излучения продолжительностью 50 фемтосекунд, эти импульсы инициировали протекание химической реакции. Через небольшой отрезок времени исследователи изучали строение возбужденного материала с помощью синхронизированного рентгеновского импульса продолжительностью 100 фемтосекунд. Рентгеновские лучи претерпевают дифракцию на порошке, состоящем из кристаллитов небольшого размера (так называемый метод Дебая-Шеррера).

Рис. 2. Рассчитанная координата реакции переноса протона NH₄⁺ + (SO₄)^2– → NH₃ + HSO₄^– (сплошная линия – реакция в кристаллической решетке; пунктирная – между свободными ионами. (Рисунок из The Journal of Chemical Physics, 2010; 133 (6): 064509 DOI: 10.1063/1.3469779).

Одновременно регистрируя сразу большое количество одновременных отражений рентгеновских лучей от зерен порошка, физикам удалось определить параметры кристаллической решетки и рассчитать объемную концентрацию заряда внутри кристалла. Рентгеноструктурное исследование порошка, состоящего из кристаллитов, через фемтосекундные интервалы позволило исследователям получить «фильм из жизни молекул».

К их удивлению, им удалось наблюдать обратимую химическую реакцию, коренным образом отличную от уже известных медленных термически инициируемых переходов сульфата аммония. На первой стадии импульс голубого цвета способствует одновременному отщеплению протона от иона аммония и электрона от сульфат-аниона. Электрон взаимодействует с протоном, образуя атом водорода, который снова распадается на соответствующие элементарные частицы.

Результаты исследований опубликвоаны в статье:

Michael Woerner, Flavio Zamponi, Zunaira Ansari, Jens Dreyer, Benjamin Freyer, Mirabelle Prémont-Schwarz, and Thomas Elsaesser Concerted electron and proton transfer in ionic crystals mapped by femtosecond x-ray powder diffraction. – J. Chem. Phys. 133, 064509 (2010); doi:10.1063/1.3469779 (8 pages).

По материалам: