Новости и мнения

Следующее поколение: молекулярная камера

Выбивание электронов с атомной орбиты с помощью лазера позволяет исследователям снимать «фильмы» фемтосекундных молекул в движении.

УСТРОЙСТВО: Молекулы находятся в постоянном движении, поскольку электроны роятся вокруг атомов, слегка сгибая атомные связи и изменяя форму молекулы. Используя стандартные инструменты, найденные в лабораториях физической химии, физик Космин Блага из Университета штата Огайо и его коллеги выполнили технику, позволяющую делать быстрые снимки молекул в движении, опубликованные на прошлой неделе (7 марта) в журнале Nature .

Путем стрельбы лазером через крошечное отверстие в вакуумную камеру Blaga создала инфракрасное лазерное поле. Интенсивность лазера выбивает электрон с атомной орбиты всего на несколько фемтосекунд или 10 -15 секунд. За это короткое время, прежде чем электрон возвращается на орбиту, связи, удерживающие атомы молекулы, растягиваются. И даже если они сдвигаются всего на 10 ангстрем ( 10-10 метров), оборудование Blaga может уловить изменение угла рассеяния электрона и дифракционной картины, создаваемой растянутой связью. Регулируя длину волны лазера, группа могла контролировать, как долго каждый электрон покидает орбиту, прежде чем вернуться, эффективно делая серию снимков формы молекулы.

Блага сравнивает эксперимент с попыткой узнать форму автомобиля, бросая в него теннисные мячи. Если вы бросите много теннисных мячей в машину с разных направлений, они «разбегутся» под разными углами, сказал он, в зависимости от того, попали они, например, в лобовое стекло или багажник. И используя информацию о том, «как разбросаны эти теннисные мячи, вы можете воссоздать образ автомобиля».

ФОТОГРАФИЯ КОСМИН БЛАГА

ЧТО НОВОГО: Исследователи пытались изучать форму молекул, наблюдая, как электроны рассеиваются после знаменитых экспериментов Эрнеста Резерфорда с золотой фольгой в начале 20-го века, с помощью которых рентгеновские и лазерные лучи ударяют молекулы и атомы. Совсем недавно исследователи начали стрелять электронными импульсами по молекулам, но отрицательные заряды введенных электронов мешали показаниям, ограничивая временное разрешение снимков пикосекундами или одной триллионной секунды – слишком медленно, чтобы уловить детальные изменения. в молекулярной форме, что исследователи искали.

Вытащив из молекулы всего один электрон, Блага и его команда смогли изменить форму молекулы, не внося каких-либо помех, что позволило им уловить гораздо более короткие изменения формы фемтосекундного масштаба. «То, что они сделали, это в значительной степени современное состояние», – сказал Герман Скиайни , который изучает атомное разрешение в Исследовательском отделе Макса Планка по структурной динамике и не участвовал в исследованиях. «Вы действительно можете видеть, как эта молекула меняется во времени».

ВАЖНОСТЬ: «Атомы очень быстро перемещаются во время химической реакции», – сказал Блага, – «что мы хотим видеть, так это то, как они на самом деле движутся и по какому пути они идут».

В опубликованном исследовании проанализированы движения молекул кислорода и азота, которые имеют очень простую двухатомную структуру, в качестве «доказательства принципа техники», сказал Блага. Но он надеется, что его можно использовать для анализа более сложных молекул или даже молекулярных реакций, по сути, «съемки» того, что происходит, когда ДНК повреждена или белок свернут. «Чтобы точно знать, как происходит каждый шаг, вам нужно запечатлеть изображение молекулы в разное время во время трансформации», – сказал Блага.

НУЖДАЕТСЯ В УЛУЧШЕНИИ: Прежде чем проводить такие сложные эксперименты, необходимо еще ускорить технику. Чтобы получить точную форму одной молекулы, необходимо выбить миллионы электронов с орбиты или миллионы теннисных мячей бросить в машину, что сейчас занимает от 6 до 9 часов. И для более сложных молекул или реакций, исследователи должны были бы выбить еще больше электронов. «Мы должны двигаться в направлении проведения экспериментов быстрее, и это будет основной задачей в ближайшие несколько лет», – сказал Блага.

Sciaini считает, что для изучения сложных реакций необходимо каким-то образом стабилизировать молекулы, чтобы исследователи могли одновременно ориентироваться на одну связь. Он предложил второй лазер для удержания молекулы под разными углами, но «считает, что это убьет временное разрешение», – сказал он. «Я думаю, что это очень сложно, но я бы не сказал, что это невозможно: люди всегда приходят к решению».

C. Blaga и др., «Получение сверхбыстрой молекулярной динамики с помощью лазерной дифракции электронов», Nature , 483: 194-7, 2012.

Обсуждение

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *