Вчені навчилися спостерігати за рухом електронів у рідинах

Рідини здаються простими речовинами, але на молекулярному рівні вони демонструють надзвичайну складність. Молекули в рідині постійно рухаються, змінюються та реорганізуються у складний спосіб. Розуміння того, як молекули поводяться в цих динамічних середовищах, є критично важливим для багатьох галузей науки, від хімії до біології, де рідини відіграють ключову роль у всьому, починаючи від хімічних реакцій і закінчуючи транспортуванням білків та РНК. Однак швидкі взаємодії між молекулами в рідинах залишалися значною мірою невидимими для науковців, оскільки традиційні методи не могли забезпечити необхідну швидкість та деталізацію спостережень.

Новий підхід, який отримав назву високогармонічна спектроскопія, змінив цю ситуацію. Дослідники з Університету Огайо та Університету Луїзіани продемонстрували, що цей метод може відстежувати рух електронів на аттосекундних шкалах часу, надаючи детальний погляд на те, як молекули в рідинах взаємодіють між собою. Цей метод використовує короткі лазерні імпульси, щоб тимчасово вибити електрони з молекул та проаналізувати світло, яке випромінюється, коли ці електрони повертаються назад. Ця техніка, яка раніше працювала переважно з газами та твердими тілами, тепер здатна виявляти швидкі молекулярні рухи та структурні зміни в рідинах.

Вивчення рідин є непростим завданням. На відміну від твердих тіл, які мають фіксовану структуру, рідини не мають далекого порядку, а їхні молекули, що постійно рухаються, ускладнюють аналіз їхньої поведінки. За словами дослідників, дві основні перешкоди традиційно стояли на шляху застосування високогармонічної спектроскопії до рідин: поглинання світла рідиною та складність фіксації швидких, мінливих рухів молекул. Щоб подолати ці виклики, науковці розробили надтонкий рідкий шар, який зменшує поглинання світла, дозволяючи більшій кількості випромінюваного гармонічного світла вийти назовні. Цей прорив дозволив спостерігати за динамікою електронів у рідинах з безпрецедентною деталізацією.

Експеримент зосереджувався на сумішах метанолу та різних галобензолів, які майже ідентичні, за винятком одного атома. Ці суміші дозволили дослідникам проаналізувати, як різні розчинені речовини взаємодіють з розчинником на ультрашвидких часових шкалах. Більшість сумішей демонстрували передбачувані результати, з гармонічними сигналами, що виглядали як проста суміш двох рідин. Однак одна комбінація, метанол та флуоробензол, показала несподіваний результат: повне придушення однієї гармоніки. Така вражаюча поведінка вказувала на специфічну молекулярну взаємодію, яка порушувала рух електронів у суміші.

Спостереження команди за сумішшю флуоробензолу та метанолу викликали інтригуюче питання. Чому саме ця суміш демонструвала таку незвичайну поведінку, коли одна гармоніка зникала повністю? За словами Лу ДіМауро, професора фізики в Університеті Огайо, це глибоке придушення світла вказувало на деструктивну інтерференцію, спричинену чимось поблизу випромінювачів у рідині. На відміну від інших сумішей, комбінація флуоробензолу та метанолу виробляла загалом менше світла, а одна конкретна гармоніка була повністю відсутня. Це був рідкісний феномен, що свідчив про те, що специфічна молекулярна взаємодія порушувала звичайну поведінку електронів.

Щоб дослідити це далі, команда звернулася до масштабного молекулярно-динамічного моделювання. За словами Джона Герберта, професора хімії в Університеті Огайо, симуляції показали, що присутність фтору в молекулі флуоробензолу сприяла унікальному молекулярному рукостисканню з молекулами метанолу, формуючи більш організовану структуру в рідині. Цей водневий зв'язок між атомом фтору та кисень-водневим кінцем метанолу створював локальну структуру, яка діяла як бар'єр для електронів, втручаючись у їхній рух та придушуючи гармонічний сигнал.

Це нове розуміння поведінки електронів у рідинах може мати значні наслідки для низки наукових галузей. Багато ключових хімічних та біологічних процесів, від транспортування білків до хімічних реакцій у клітинах, відбуваються в рідких середовищах. Використовуючи високогармонічну спектроскопію для безпосереднього спостереження за тим, як молекули в рідинах взаємодіють на ультрашвидких часових шкалах, дослідники можуть отримати цінні знання про ці процеси. Як зазначає ДіМауро, генерація високих гармонік у розчинах може бути чутливою до конкретних взаємодій розчиненої речовини та розчинника, а отже, до локального рідкого середовища. Ця здатність досліджувати локальну структуру рідин може призвести до прогресу в хімії, біології та матеріалознавстві.

Дослідники сподіваються, що подальше вдосконалення експериментів з високогармонічною спектроскопією дозволить їм ще більше розкрити таємниці рідких середовищ. Здатність спостерігати за динамікою електронів у реальному часі може запропонувати більш точне розуміння того, як рідини поводяться за різних умов, з застосуваннями від покращення хімічних реакцій до вивчення радіаційних пошкоджень у біологічних тканинах.