Физики из России научат лазеры "дирижировать" химическими реакциями

Физики из России научат лазеры "дирижировать" химическими реакциями

МОСКВА, 3 дек – РИА Новости. Ученые из МФТИ и Дании выяснили, как можно предсказывать поведение сложных молекул при «обстреле» лазером, что позволит управлять их поведением и лучше понимать их структуру. Их выводы были представлены в Journal of Chemical Physics.

«Если подсветить молекулу сильным лазером, произойдет её ионизация: электрон оторвётся от молекулы. При этом он может вернуться назад, двигаясь под действием переменного лазерного поля. Это может привести как к восстановлению, так и к распаду молекулы. По этим процессам можно восстановить картину электронного и ядерного движения в молекуле», — рассказывает Андрей Днестрян из Московского физтеха в Долгопрудном.

Сложные белковые молекулы в наших организмах состоят из нескольких тысяч аминокислот, чьи цепочки часто бывают закручены в сложную форму благодаря взаимодействиям между отдельными «звеньями» этих пептидных цепей. Пока биологи не до конца раскрыли законы, по которым белки принимают определенную форму, и которые позволяют определять форму молекулы по ее формуле.

Поэтому структуру отдельных белков ученым приходится определять «вручную» – или используя компьютерные симуляции, или же замораживая отдельные молекулы белков при помощи жидкого азота и гелия и «просвечивая» их при помощи сверхмощных рентгеновских лазеров.

Когда их лучи проходят рядом с такими молекулами, их электрическое поле заставляет электроны «отрываться» от атомов, повторно соединяться с ними и сталкиваться с другими компонентами молекулы. Все эти взаимодействия порождают вспышки света и меняют характер свечения лазера. Это позволяет узнать структуру вещества с атомной точностью, анализируя при помощи компьютера подобные вспышки света.

Как передает пресс-служба МФТИ, Днестрян и его единомышленники достаточно давно думают над тем, как можно использовать подобные взаимодействия между лазерными лучами и электронами не для «чтения», а «записи» молекул – прямого управления их состоянием и поведением. 

Для этого, как отмечает Днестрян, нужно понимать, как свойства лазерного луча влияют на склонность электрона к «побегу» из молекулы, и как часто это происходит в тех или иных условиях.

Сделать это, как оказалось, было не так просто. Существующие сегодня программы, позволяющие проводить расчеты подобного рода на квантовом уровне, не позволяют точно вычислить то, в каком состоянии будет находиться электрон в момент «побега». 

Недавно, по словам физика, его команде удалось переформулировать теорию, описывающую этот процесс, так называемую «туннельную ионизацию», таким образом, что вероятность и направление «побега» электрона можно вычислить уже существующими методами.

Это значительно расширило возможности ученых. Теперь они могут просчитывать свойства и потенциально управлять поведением не только одиночных атомов и ионов, но и сложных молекул, состоящих из десятков или даже сотен разнородных элементов. 

Для проверки этой методики Днестрян и его коллеги просчитали то, как будут вести себя электроны у атомов в молекулах угарного газа, бензола и нафталина при «обстреле» лазерными лучами. Их расчеты совпали с результатами экспериментальных наблюдений, что подтвердило работоспособность их идеи.

В ближайшее время ученые опубликуют алгоритм, позволяющий вести подобные расчеты. Эта программа, как надеются российские и датские физики, поможет их коллегам быстро просчитывать структуру изучаемых веществ и наблюдать за изменениями в их поведении с рекордно высокой скоростью.

Источник: РИА новости

12:59