«В эти первые несколько десятков аттосекунд реакции вы уже можете наблюдать, как перемещаются электроны внутри молекул», – объясняет Ханс Якоб Ворнер, профессор лаборатории физической химии ETH Zurich. "Позже, в течение примерно 10 000 аттосекунд или 10 фемтосекунд, химические реакции приводят к перемещению атомов вплоть до разрыва химических связей."
Пять лет назад профессор ETH был одним из первых ученых, способных обнаруживать движение электронов в молекулах в аттосекундном масштабе.
Однако до сих пор такие измерения можно было проводить только на молекулах в газообразной форме, поскольку они проводятся в высоковакуумной камере.
Запаздывающий перенос электронов из жидкости
После создания нового измерительного оборудования Уорнеру и его коллегам удалось обнаружить такие движения в жидкостях. С этой целью исследователи использовали фотоэмиссию в воде: они облучали молекулы воды светом, заставляя их испускать электроны, которые затем ученые могли измерить. «Мы решили использовать этот процесс для нашего исследования, потому что его можно запустить с высокой временной точностью, используя лазерные импульсы», – говорит Уорнер.
Новые измерения также проводились в высоком вакууме. Уорнер и его команда впрыснули в измерительную камеру микроструйную струю воды толщиной 25 микрометров.
Это позволило им обнаружить, что электроны испускаются из молекул воды в жидкой форме на 50-70 аттосекунд позже, чем из молекул воды в форме пара. Разница во времени связана с тем, что молекулы в жидкой форме окружены другими молекулами воды, что оказывает заметное влияние задержки на отдельные молекулы.
Важный шаг
«Движение электронов – ключевое событие в химических реакциях. Вот почему так важно измерять их в масштабе времени с высоким разрешением, – говорит Уорнер. «Шаг от измерений в газах к измерениям в жидкостях имеет особое значение, потому что большинство химических реакций, особенно тех, которые представляют интерес с биохимической точки зрения, происходят в жидкостях."
Среди них есть множество процессов, которые, как и фотоэмиссия в воде, также запускаются световым излучением.
К ним относятся фотосинтез в растениях, биохимические процессы в нашей сетчатке, которые позволяют нам видеть, и повреждение ДНК, вызванное рентгеновскими лучами или другим ионизирующим излучением. С помощью аттосекундных измерений ученые должны по-новому взглянуть на эти процессы в ближайшие годы.