Как ученые научились "замораживать" время? Новый источник света раскрывает секреты влияния ультрафиолета на молекулы

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Взаимодействие ультрафиолетового (УФ) излучения с молекулами играет ключевую роль в многочисленных фотохимических и фотобиологических процессах, протекающих как в атмосфере Земли, так и в живых организмах. Понимание механизмов этих взаимодействий критически важно для решения целого ряда научных и прикладных задач, от разработки новых методов защиты от солнечной радиации до создания эффективных фотокатализаторов.


Однако до недавнего времени исследователи сталкивались с серьезным ограничением: отсутствием инструментов, позволяющих наблюдать за сверхбыстрыми процессами, происходящими на временной шкале фемтосекунд (1 фемтосекунда = 10⁻¹⁵ секунды) после поглощения молекулой УФ-фотона. Именно в этом ультракоротком интервале происходит перераспределение энергии внутри молекулы, определяющее ее дальнейшую судьбу: будет ли она стабильна, распадется на фрагменты или вступит в химическую реакцию с другими молекулами.

«Заморозка» времени, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Недавно группа ученых из Центра науки о лазерах на свободных электронах и Гамбургского университета представила инновационный источник света, генерирующий ультракороткие импульсы УФ-излучения, длительностью всего несколько фемтосекунд. Этот технологический прорыв открывает беспрецедентные возможности для изучения динамики молекулярных процессов с временным разрешением, ранее недостижимым.

В своей работе, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи продемонстрировали возможности нового метода на примере молекулы йодметана (CH₃I), которая широко используется в качестве модельной системы в ультрафиолетовой спектроскопии.

Траектории классифицированы по выделению кинетической энергии при ионизации в различные конечные состояния: (a) траектории, которые остаются связанными в виде CH3I+, (b) траектории с энергией, достаточной для образования I+, и (c) траектории, которые приводят к CH3+. Цветная карта показывает количество траекторий, способствующих образованию соответствующих ионов без учета вероятности ионизации. Горизонтальные пунктирные линии обозначают кратные значения энергии центрального фотона БИК (1,65 эВ) и позволяют определить число n фотонов БИК, необходимых для достижения порога ионизации. Нижние панели (d-f): Сплошные линии показывают число траекторий, приводящих к фрагменту i в области энергий (n-1,n) (см. основной текст). Пунктирная линия в (e, f) представляет результаты, полученные при рассмотрении только траекторий, заканчивающихся в канале I*(2P1/2) (т. е. без перехода населения из состояния 3Q0 в состояние 1Q1). Цифры указывают на количество фотонов БИК, которые должны быть поглощены в каждом случае. Для сравнения экспериментальные данные показаны в виде заштрихованной области на заднем плане, а также некоторые индивидуальные вклады, полученные в результате подгонки (пунктирные линии), каждый из которых нормирован на максимум, равный 1. Цитирование: Colaizzi, L., Ryabchuk, S., Månsson, E.P. et al. Few-femtosecond time-resolved study of the UV-induced dissociative dynamics of iodomethane. Nat Commun 15, 9196 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53183-8
Автор: Colaizzi, L., Ryabchuk, S., Månsson, E.P. et al. Источник: www.nature.com

Эксперимент заключался в следующем: молекула йодметана облучалась первым, инициирующим, УФ-импульсом, который переводил ее в возбужденное электронное состояние. Затем, с контролируемой задержкой во времени, на молекулу воздействовал второй, контролирующий, импульс. Меняя временной интервал между импульсами, ученые смогли проследить за эволюцией молекулы в реальном времени и выявить ключевые стадии фотохимических преобразований.

Оказалось, что в течение первых пяти фемтосекунд после возбуждения существует узкое временное окно, в которое второй импульс может предотвратить диссоциацию, то есть распад, молекулы йодметана. Если же второй импульс приходит позже, диссоциация становится неизбежной. Это свидетельствует о том, что первичные процессы, определяющие фотохимическую стабильность молекулы, протекают чрезвычайно быстро, на временной шкале всего нескольких фемтосекунд. Полученные экспериментальные данные согласуются с теоретическими моделями, описывающими динамику электронов и ядер в молекуле после поглощения УФ-фотона.


a Воздействие УФ-излучения неизбежно приводит к быстрой нейтральной диссоциации. b Для предотвращения фрагментации молекул можно использовать быструю БИК-ионизацию в течение короткого временного интервала в 5 фс. Цитирование: Colaizzi, L., Ryabchuk, S., Månsson, E.P. et al. Few-femtosecond time-resolved study of the UV-induced dissociative dynamics of iodomethane. Nat Commun 15, 9196 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53183-8
Автор: Colaizzi, L., Ryabchuk, S., Månsson, E.P. et al. Источник: www.nature.com

Разработанный метод аттосекундной спектроскопии открывает новые перспективы для исследования широкого спектра фотохимических и фотобиологических явлений. Возможность контролировать реакции на молекулярном уровне с помощью сверхкоротких световых импульсов может привести к созданию новых технологий в области фотохимии, фотокатализа, фотобиологии и материаловедения. В частности, это может помочь разработать более эффективные методы защиты биологических молекул, таких как ДНК, от повреждающего действия УФ-излучения.