Naudojant ultragreitosios elektronų difrakcijos (Ultrafast Electron Diffraction, UED) metodą, mokslininkams pirmą kartą pavyko tiesiogiai užregistruoti atomų branduolių vibracijas molekulėse.
Ultragreita „elektronų kamera“ Nacionalinės greitintuvų laboratorijos (SLAC National Accelerator Laboratory, JAV) tyrėjams pirmą kartą pavyko tiesiogiai užregistruoti atomų branduolių vibracijas, atsiradusias po to, kai jie buvo paveikti lazerio impulsu. Šių vibracijų trukmė yra neįtikėtinai trumpa, vos keli šimtai femtosekundžių ( 1 fs = 10-15 s).
Eksperimente lazerio impulsu (paveikslėlyje – žalias) buvo sužadintos jodo dujų aerozolinio debesėlio molekulės. Tai sukėlė jodo molekulių, kurias sudaro du jodo atomai, susijungę cheminiu ryšiu (viršuje, kairėje), vibracijas. Iš karto po to į molekules buvo nukreiptas elektronų pluoštas (mėlynas spindulys), ir detektoriumi užregistruotas būdingas elektronų, praėjusių dujas, difrakcijos vaizdas (paveikslėlyje fone). Iš jo galima tiksliai nustatyti, kaip vibruoja branduoliai, paveikti lazerio šviesos. Iliustracija: SLAC National Accelerator Laboratory.
Mokslininkai panaudojo metodą, vadinamą ultragreitąja elektronų difrakcija (ultrafast electron diffraction (UED), leidusį „pažiūrėti“ į sužadintų dujų debesėlį keliais laiko momentais iš karto po apšvietimo lazerio spinduliu.
Sujungę tuos vaizdus, jie gavo „molekulinį filmą“, rodantį, kaip ima vibruoti jodo molekulės – atstumas tarp dviejų jodo branduolių padidėja beveik 50 procentų – nuo 0,27 iki 0,39 milijoninių milimetro dalių, o po to molekulė grįžta į pradinę būseną. Šios vibracijos trunka tik maždaug 400 femtosekundžių; per tiek laiko šviesa spėja nueiti vos 0,12 milimetro.
„Mums pavyko eksperimentą atlikti taip, kad galėjome pamatyti dujų atomų branduolių judėjimų realiu laiku“, teigė tyrimo vadovas Xijie Wang. „Tai pasiekimas, kuris sukuria naujas tiksliųjų tyrimų galimybes įvairiausiems ypač greitai vykstantiems procesams analizuoti biologijos, chemijos, medžiagų ir kitose mokslo srityse.“
UED metodas buvo kuriamas ir tobulinamas įvairių mokslininkų visame pasaulyje jau nuo 1980-ųjų. Tačiau tik neseniai pavyko pasiekti tokią elektronų pluošto kokybę, kuri tiktų femtosekundžių trukmės procesams, vykstantiems molekulėse, tirti.
Šiam tyrimui panaudotas didelės energijos elektronų šaltinis, kuris buvo sukurtas toje pačioje laboratorijoje, bet kiek kitam tikslui – femtosekundiniam rentgeno spindulių lazeriui įkrauti.
Jau seniai žinoma, kad cheminiai ryšiai tarp atomų yra lankstūs, tarsi spyruoklės, jungiančios sferas. Šis lankstumas leidžia molekulėms keisti formą, o tai yra labai svarbu biologinėms ir cheminėms reakcijoms – be tokio lankstumo nevyktų fotosintezė, nebūtų įmanoma gyvų organizmų rega.
Tačiau būdai tirti tokius molekulių judesius, trunkančius femtosekundes, iki šiol buvo netiesioginiai.
Pavyzdžiui, spektroskopijoje išvados apie molekulių atomų vibracijas daromos pagal tai, kaip lazerio šviesa sąveikauja su elektronų debesiu, supančiu branduolius – norint gautus duomenis paversti vaizdu, rodančiu, kaip juda atomų branduoliai, reikia atlikti teorinius skaičiavimus. Tai galima padaryti labai tiksliai, jei molekulės yra nesudėtingos, dėka vieno iš femtochemijos pradininkų, Achmedo Zevailo (Ahmed Zewail), už savo tyrimus gavusio 1999-ųjų Nobelio premiją chemijos srityje. Tačiau skaičiavimai greitai tampa labai komplikuotais, jei tik molekulės yra sudėtingesnės.
Femtosekundinėms molekulių vibracijoms tirti mokslininkai taip pat naudoja ir rentgeno spindulius. Nors jie gali giliai įsiskverbti ir pasiekti tuos elektronus, kurie yra netoli branduolio, vis tik tokių matavimų skiriamoji geba nėra pakankama, norint tiksliai išmatuoti branduolių pozicijų pokyčius.
UED metodui naudojami labai didelės energijos elektronai, kurie sąveikauja ir su elektronais, ir su atomų branduoliais, todėl jais tarsi zondu galima tirti pačių branduolių judėjimą, ir dideliu tikslumu.
Ultragreitosios difrakcijos metodo koncepcija yra panaši į klasikinį dvigubo plyšio eksperimentą, dažnai naudojamą vaizdžiai šviesos banginių savybių demonstracijai. Šiame eksperimente lazerio spindulys praeina pro du vertikalius plyšius, ir ant ekrano už jų dėl šviesos bangų interferencijos atsiranda šviesios ir tamsios juostos, vadinamos difrakciniu vaizdu.
UED atveju elektronų pluoštas pereina per jodo molekules, esančias dujiniame būvyje, o plyšio vaidmenį atlieka tarpas tarp dviejų jodo branduolių kiekvienoje molekulėje. Šiuo atveju difrakcinis vaizdas fiksuojamas ne ekrane, o specialiame elektronų detektoriuje.
Interferencinio vaizdo palyginimas: klasikiniame dvigubo plyšio eksperimente (kairėje) ir ultragreitosios difrakcijos metodu. tiriant jodo molekules.
Jis ir leidžia padaryti išvadas apie tai, koks yra atstumas tarp branduolių molekulėje, ir, kas svarbiausia, ne tik tai: galima tiesiogiai stebėti, kaip šis atstumas kinta. Jodo molekulės apšvietus intensyvia lazerio šviesa, jos ima vibruoti – ima keistis atstumas tarp dviejų molekulės atomų, taigi ir plyšio plotis, ir šis vibravimas tiesiogiai matomas elektronų formuojamame besikeičiančiame difrakciniame vaizde.
Labai svarbu, šis tyrimo metodas gali būti pritaikytas stebėti bet kokias dujinio būvio molekules – pakanka žinoti elektronų pluošto charakteristikas ir eksperimento geometrines charakteristikas.
Po pirmų sėkmingų bandymų su nesudėtingomis jodo molekulėmis, mokslininkai planuoja tęsti tyrimus su sudėtingesnėmis molekulėmis, turinčiomis daugiau nei du atomus.
Šis pasiekimas gali atverti duris į ypač tikslius atomų lygio tyrimus daugelyje sričių ir padėti išsiaiškinti daug cheminių ir biologinių reakcijų paslapčių, geriau suprasti šviesos ir medžiagos sąveiką ir su šia sąveika susijusius supergreitus procesus.
Šio eksperimento rezultatai bus paskelbti žurnale „Physical Review Letters“, arxiv.org/abs/1608.07725
https://youtu.be/XVvhQIlCft8
Daugiau:
Žvilgsnis į nanodalelių vidų atskleidžia, kaip jų forma įtakoja savybes
Jau 50 metų Lietuvoje lazeriai tarnauja puslaidininkių tyrimams
Gautos atomų, esančių molekulinėje struktūroje, 3D hologramos
Lietuvos lazerių specialistai kuria galingiausią pasaulyje lazerį