«Вероятно, в ближайшие пару лет мы станем единственной лабораторией, которая сможет это сделать», – сказал Мин-Гуан Ху, научный сотрудник лаборатории Ni и первый автор статьи, опубликованной сегодня в журнале Science. Пять лет назад Ни, доцент кафедры химии и химической биологии Морриса Кана и пионер ультрахолодной химии, задумал построить новый аппарат, который мог бы проводить химические реакции при самых низких температурах среди всех доступных в настоящее время технологий. Но они не могли быть уверены, что их сложная инженерия сработает.
Теперь они не только провели самую холодную реакцию, но и обнаружили, что их новый прибор может делать то, чего даже они не предсказывали. При таком сильном холоде – 500 нанокельвинов или всего несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля – их молекулы замедляются до таких ледниковых скоростей, что Ни и ее команда смогли увидеть то, чего никто не мог видеть раньше: момент, когда две молекулы встречаются, чтобы сформировать две новые молекулы. По сути, они запечатлели химическую реакцию в ее наиболее критическом и неуловимом акте.
Химические реакции ответственны буквально за все: дыхание, приготовление пищи, пищеварение, выработку энергии, фармацевтические препараты и бытовые товары, такие как мыло.
Итак, понимание того, как они работают на фундаментальном уровне, может помочь исследователям разработать комбинации, которых мир никогда не видел. Благодаря почти бесконечному количеству возможных новых комбинаций эти новые молекулы могут найти бесконечное количество применений, от более эффективного производства энергии до новых материалов, таких как плесневые стены, и даже лучших строительных блоков для квантовых компьютеров.
В своей предыдущей работе Ni использовала все более и более низкие температуры для создания этой химической магии: выковывая молекулы из атомов, которые в противном случае никогда бы не вступили в реакцию. Охлажденные до такой степени, атомы и молекулы замедляются до квантового ползания, их самое низкое возможное энергетическое состояние.
Здесь Ni может с максимальной точностью манипулировать молекулярными взаимодействиями. Но даже она могла видеть только начало своих реакций: входят две молекулы, но что потом?? То, что произошло в середине и конце, было черной дырой, которую только теории могли попытаться объяснить.
Химические реакции происходят всего за миллионные доли миллиардной секунды, более известные в научном мире как фемтосекунды.
Даже самые сложные современные технологии не могут уловить что-то столь недолговечное, хотя некоторые и близко подходят. В течение последних двадцати лет ученые использовали сверхбыстрые лазеры, такие как камеры быстрого действия, делая быстрые снимки реакций по мере их возникновения.
Но они не могут запечатлеть всю картину. «В большинстве случаев, – сказал Ни, – вы просто видите, что реагенты исчезают, а продукты появляются за время, которое вы можете измерить. Не было прямого измерения того, что на самом деле происходит в этих химических реакциях." До настоящего времени.
Ультрахолодные температуры Ni вызывают сравнительно низкую скорость реакции. «Из-за того, что [молекулы] такие холодные, – сказал Ни, – теперь у нас возникает эффект узкого места."Когда она и ее команда прореагировали на две молекулы калия и рубидия, выбранные из-за их гибкости, ультрахолодные температуры вынудили молекулы задерживаться на промежуточной стадии на микросекунды. Микросекунды – всего лишь миллионные доли секунды – могут показаться короткими, но это в миллионы раз дольше, чем обычно, и достаточно, чтобы Ни и ее команда исследовали фазу, когда связи разрываются и образуются, по сути, как одна молекула превращается в другую.
Благодаря этому интимному видению Ни сказала, что она и ее команда могут проверять теории, которые предсказывают, что происходит в черной дыре реакции, чтобы подтвердить, правильно ли они все поняли. Затем ее команда может создавать новые теории, используя реальные данные, чтобы более точно предсказать, что происходит во время других химических реакций, даже тех, которые происходят в загадочной квантовой сфере.
Команда уже изучает, чему еще они могут научиться на своем ультрахолодном испытательном стенде. Затем, например, они могут манипулировать реагентами, возбуждая их, прежде чем они отреагируют, чтобы увидеть, как их повышенная энергия влияет на результат.
Или они могут даже повлиять на реакцию, как она происходит, подталкивая ту или иную молекулу. «Благодаря нашей управляемости этого временного окна достаточно, мы можем исследовать», – сказал Ху. "Теперь, с этим аппаратом, мы можем думать об этом. Без этой техники, без этой статьи мы даже не можем думать об этом."