Сверхкороткие импульсы лазера фемтосекундной протяженности представляют собой оружие, позволяющее ученым контролировать протекание химических реакций. Исследователи продемонстрировали, что такие импульсы могут контролировать процесс фрагментации углеводородов.

Обычно химические реакции протекают сами собой, течение реакции зачастую напоминает путь мячика, скатывающегося с горы в «яму потенциальной энергии». Однако, на это скатывание можно повлиять – как было показано в Технологическом Университете Вены, в молекулах, на которые попадают фемтосекундные импульсы лазеров, может изменить распределение электронной плотности.

Такое взаимодействие реализуется в течение столь короткого временного интервала, что не оказывает влияние на состояние атомных ядер, масса которого в тысячи и десятки тысяч раз превышает массу электрона.

Однако возмущения в электронной плотности могут инициировать химический процесс и даже способствовать отходу одного из ядер от другого, то есть – разрыву химической связи, а строение и свойства образующихся продуктов определяются параметрами импульсов лазерного излучения.

Рис. 1. Рисунок из Physical Review X, 2014; 4 (2) DOI: 10.1103/PhysRevX.4.021005.

Химики могут выбрать, какие молекулы могут принимать участие в реакции, однако результат такой реакции обычно определяется физическими и химическими свойствами самих молекул, а также такими внешними факторами, как температура, более тонкий управление протеканием химической реакции практически невозможен. Тем не менее, исследователям из Института Фотоники Технологического Университета Вены удалось непосредственно инициировать расщепление таких углеводородов, как этилен (C₂H₄) или ацетилен (C₂H₂) а меньшие по размеру фрагменты.

Как отмечает Маркус Китцлер (Markus Kitzler), было использовано два типа импульсов лазерного излучения. Первый импульс, продолжительностью около 50 фемтосекунд, заставляет молекулы с различной скоростью. Спустя некоторое время, после того как происходит определенное упорядочение молекул, к системе прилагается импульс, который длится уже пять секунд – этот импульс меняет электронную конфигурацию частиц и даже может способствовать отрыву электронов от молекулы.

Масса электрона много уступает массе атомного ядра, таким образом, на состояние электронов можно повлиять с помощью коротких лазерных импульсов, в то время как ядра за этот период времени не успеют почувствовать лазерный импульс.

Известно, что если от молекулы оторвать строго определенные электроны, она может быть разрушена по определенным химическим связям. Это обстоятельство обусловливает возможность расщепления ацетилена на ионы C₂H⁺, CH⁺ или C⁺. Возможны различные процессы, и, по словам Китцлера, исследователям из его группы впервые удалось различить пути такого распада и выбрать путь, по которому реакция была направлена.

Исключительно короткий лазерный импульс продолжительностью 5*10^–15 секунд способен инициировать процесс, который протекает в более длительной временной шкале. Исследователь заявляет, что это можно сравнить с промышленным взрывом, когда небольшое количество взрывчатого вещества, заложенного в правильно подобранных местах, может привести к безопасному для окружающих разрушению здания.