Впервые в истории современной науки ученым удалось сделать то, что ранее считалось невозможным — измерить энергию атомов молекулы во время крайне кратковременных изменений состояний этих атомов, которые происходят во время различных химических реакций. Данное открытие позволяет пролить свет на некоторые загадки механизма работы химических реакций, слишком сложных для того, чтобы их можно было изучить при помощи существующих научных методов.
Химические реакции, которые определяют все процессы, включая и жизнедеятельность, на Земле, заключаются в преобразовании молекул одного вида в молекулы других химических соединений. Во время химических реакций атомы молекул проходят через череду кратковременных переходных состояний в те моменты, когда разрываются старые и формируются новые химические связи.
«Реагенты и продукт химической реакции можно представить себе, как долины, находящиеся по обе стороны горной цепи. А сама химическая реакция — это ухабистая дорога через горы, соединяющие две долины» — рассказывает Джошуа Барабэн (Joshua Baraban), ученый из Колорадского университета, — «Поскольку переходные состояния атомов существуют лишь во время «движения» по дороге химической реакции, ранее считалось невозможным изучение характеристик атомов в этот очень короткий промежуток времени».
Для измерения изменений энергии ученые использовали молекулы ацетилена, вещества, состоящего из двух атомов углерода и двух атомов водорода. А реакция, во время которой производились измерения изменений энергии, называется реакцией изомеризации, в ходе которой претерпевает изменения структура молекулы.
Когда молекула ацетилена поглощает извне энергию, она может перейти из одной в другую стабильную форму. Давайте представим себе молекулу в виде шаров и соединяющих их палочек, так, как нам показывали молекулы на уроках химии в школе. Осью молекулы ацетилена являются два связанных друг с другом атома углерода, к каждому из которых присоединено по одному атому водорода.
В одном виде молекула ацетилена имеет зигзагообразную форму, когда атомы водорода находятся по разные стороны углеродной цепочки, а у молекул второго вида, напоминающих форму латинской буквы U, атомы водорода находятся с одной стороны. Поглотив относительно небольшое количество энергии, зигзагообразная молекула может изменить свою форму на вторую. И в момент перехода между этими двумя формами молекула находится в промежуточной форме, когда один из атомов водорода практически находится на одной линии с двумя атомами углерода.
Изменения формы молекулы ацетилена, которые называются колебаниями, ученые наблюдали при помощи импульсов лазерного света. Более того, эти же импульсы служили своего рода накачкой, дающей молекулам ацетилена дополнительную энергию. Когда уровень лазерной накачки достигает определенного предела, молекулы начинают колебаться, попадая в переходное состояние и возвращаясь назад. И делают они это несколькими различными путями.
Подобная технология также была использована для точного определения структуры и количества энергии переходного состояния в момент превращения молекул цианида водорода в молекулы изоцианида водорода. В цианиде водорода атом водорода связан с атомом углерода, который, в свою очередь, связан с атомом азота. В изоцианиде водорода атом водорода наоборот, связан с атомом азота. А молекула в переходном состоянии имеет форму треугольника, в вершинах которого находятся атомы водорода, углерода и азота.
В скором времени при помощи разработанного ими метода ученые планируют произвести изучение более сложных химических реакций, реакций, в которых принимают участие две молекулы, объединяющиеся в одну, или одна большая молекула, расщепляющаяся на две меньших.
