2014-04-11

Отримано томографічне зображення молекулярної орбіталі

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Канадські вчені, використовуючи для реконструкції зображення метод комп'ютерної томографії, навчилися отримувати тривимірне зображення окремої молекулярної орбіталі.

Поняття одноелектронних хвильових функцій (орбіталей) було введено для опису електронної структури молекул і описує стан окремого електрона, що знаходиться в усередненому полі всіх інших електронів і ядер. Протягом десятиліть це поняття залишалося "математичною абстракцією", оскільки орбіталі не були доступні безпосередньому експериментальному спостереженню. З розвитком експериментальної техніки з'явилися методи, що дозволяють досить детально дослідити розподіл електронної густини в молекулах. З цією метою може використовуватися, наприклад, скануюча тунельна мікроскопія, яка дозволяє працювати з молекулами на поверхні твердого тіла (неминучою платою за це є викривлення розподілу електронної густини). Є й методи, що дозволяють працювати з молекулами в газовій фазі: такий, наприклад, варіант фотоелектронної спектроскопії, що дозволяє ніби "підсвічувати" молекулу електронами зсередини), що дає можливість реєструвати дифракційну картину, яка відображає розповсюдження електронної хвилі в тривимірному потенціалі молекули. Проте жоден з існуючих методів не дозволяв отримати неспотворене тривимірне зображення електронної хвильової функції (включаючи інформацію про її фазу).

Канадські вчені застосували для отримання тривимірного зображення окремих молекулярних орбіталей метод комп'ютерної томографії. Цей метод використовується для дослідження складних об'єктів: відновлення зображення об'єкта зі складною внутрішньою структурою відбувається на підставі аналізу просторового розподілу інтенсивності випромінювання, що пройшов через об'єкт (тривимірне зображення об'єкта реконструюється за великим набором одновимірних або двовимірних проекцій). Комп'ютерна томографія широко використовується в медицині, застосовується вона і в наукових дослідженнях, у тому числі і для дослідження настільки тендітних об'єктів, як атомні бозе-конденсати. Однак у всіх цих випадках мова йде про більш-менш розмірні об'єкти, а перед канадськими вченими стояло зовсім інше завдання.

Найвищі зайняті молекулярні орбіталі відповідальні за утворення хімічних зв'язків, і тому спостереження їх зміни в процесі утворення і розриву хімічних зв'язків - це погляд у саме серце хімії. Саме ці молекулярні орбіталі, відповідно, є найбільш цікавим об'єктом досліджень. Для реконструкції орбіталі молекули азоту N2 канадські вчені використовували генерацію високих гармонік (випромінювання з частотою, кратною частоті початкового імпульсу) під дією інтенсивного фемтосекундного лазерного імпульсу. Зауважимо, що в даний час цей метод використовується для отримання імпульсів електромагнітного випромінювання гранично малої тривалості - аттосекундних імпульсів.

Для того, щоб отримати необхідний набір проекцій, необхідно мати можливість обертати молекулу. Оскільки ж вченим необхідно працювати не з окремою молекулою азоту (у такому випадку вони просто не змогли б зафіксувати жодного сигналу), а з макроскопічним числом молекул, необхідним попереднім етапом експерименту було однакове вибудовування осей молекул. З цією метою на струмінь молекул азоту діаметром близько 1 мм впливали лазерним імпульсом тривалістю 60 фемтосекунд. Під впливом цього "попереднього" лазерного імпульсу молекули починають обертатися, причому швидкість обертання залежить від їх первісної орієнтації по відношенню до осі поляризації лазерного випромінювання. У результаті, в якийсь момент часу після проходження "попереднього" лазерного імпульсу всі молекули виявляються орієнтовані однаковим чином.

На орієнтовані однаковим чином молекули діяв другий, більш потужний фемтосекундний лазерний імпульс (довжина хвилі - 800 нм, тривалість - 30 фс). Густина потужності лазерного випромінювання (2 x 1014 Вт/см2) була досить великою, щоб забезпечити тунельну іонізацію (за рахунок придушення кулонівського бар'єру електричним полем лазерного імпульсу) вищих зайнятих молекулярних орбіталей. У процесі тунельної іонізації частина електронної хвильової функції виявляється вивільненою: такий електронний хвильовий пакет починає рухатися під дією змінюваного електричного поля лазерного імпульсу. Спочатку хвильовий пакет віддаляється від молекули, а потім починає повертатися, налітаючи на молекулу. За час, поки електронний хвильовий пакет повертається до своєї молекулі, він розтягується в напрямку, перпендикулярному напрямку руху, приблизно до 9 ангстрем, що значно перевищує розмір молекули (~ 1 ангстрем). Хвильової пакет, що повертається, можна розглядати як набір плоских хвиль, який і проводить "зондування" відповідним чином орієнтованої молекули.

При зіткненні хвильового пакету з молекулою відбувається перекриття решти молекулярної орбіталі та хвильового пакету. Через те, що обидва походять з єдиного джерела, має місце когерентне додавання двох хвильових функцій (саме даний факт дозволяє "працювати" з окремою молекулярною орбіталлю). Асиметричний розподіл електронної щільності, що виникає при цьому, змінюється з часом (в міру руху хвильового пакету), можна розглядати як коливний диполь, який випромінює електромагнітні хвилі. Спектр генерує електромагнітне випромінювання, яке визначається як формою молекулярної орбіталі, так і орієнтацією молекули, і обмежується зверху кінетичною енергією нальоту на молекулу хвильового пакету.

Зареєструвавши набір спектрів ("проекцій") для різної орієнтації осі молекул по відношенню до осі поляризації лазерного випромінювання, вчені змогли реконструювати тривимірну структуру окремої молекулярної орбіталі.

На думку дослідників, це тільки початок застосування методу комп'ютерної томографії для отримання тривимірних зображень хвильових функцій електронів в молекулах. Природним розвитком роботи є спостереження модифікації молекулярних орбіталей в процесі хімічних реакцій. Крім того, подібна техніка може бути використана не тільки для реконструкції вищих зайнятих молекулярних орбіталей, а й реконструкції більш глибоких орбіталей.

J.Itatani, J.Levesque, D.Zeidler, Hiromichi Niikura, H.Pepin, J.C.Kieffer, P.B.Gorkum, and D.V.Villeneuve. Nature

Коментарі:

blog comments powered by Disqus