На сайте Phys.org размещена статья "Scientists capture elusive chemical reaction using enhanced X-ray method".

Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (The Stanford Linear Accelerator Center) впервые зафиксировали одно из самых быстрых движений молекулы под названием феррицианид, объединив два сверхбыстрых метода рентгеновской спектроскопии. Они считают, что их подход может помочь составить карту более сложных химических реакций, таких как перенос кислорода в клетках крови или производство водорода с помощью искусственного фотосинтеза.

Исследовательская группа из SLAC, Стэнфорда и других институтов начала с того, что сейчас является довольно стандартной техникой: они облучили смесь феррицианида и воды ультрафиолетовым лазером и яркими рентгеновскими лучами, генерируемыми рентгеновским лазером на свободных электронах (the Linac Coherent Light Source LCLS). Ультрафиолетовый свет переводил молекулу в возбужденное состояние, в то время как рентгеновские лучи исследовали атомы образца, обнаруживая особенности атомной и электронной структуры и движения феррицианида.

Отличие в этот раз - как исследователи извлекали информацию из рентгеновских данных. Вместо изучения только одной спектроскопической области, известной как основная эмиссионная линия Kβ, команда зафиксировала и проанализировала вторую эмиссионную область, называемую валентность-ядро, которую было значительно сложнее измерить в сверхбыстрых временных масштабах. Объединение информации позволило команде получить подробную картину молекулы феррицианида по мере того, как она переходила в ключевое переходное состояние.

Команда показала, что феррицианид переходит в промежуточное возбужденное состояние в течение примерно 0,3 пикосекунды — или менее одной триллионной доли секунды — после воздействия УФ-лазером. После этого короткого периода возбуждения феррицианид теряет одно из своих молекулярных цианидных «плеч», называемое лигандом. Затем феррицианид либо заполняет это недостающее соединение тем же лигандом на основе углерода, либо, что менее вероятно, молекулой воды.

Этот обмен лигандами является основной химической реакцией, которая, как считалось, происходит в феррицианиде, но не было прямых экспериментальных доказательств отдельных этапов этого процесса, — говорят авторы. Используя только подход к анализу основной эмиссионной линии Kβ, мы не сможем увидеть, как выглядит молекула, когда она переходит из одного состояния в другое. Мы получим только четкую картину начала процесса.

В будущем исследователи хотят изучить более сложные молекулы, такие как гемопротеины, которые транспортируют и хранят кислород в красных кровяных тельцах, но которые могут быть сложными для изучения, потому что ученые не понимают всех промежуточных этапов их реакций.

Исследовательская группа в течение многих лет совершенствовала свой метод рентгеновской спектроскопии на Стэнфордском источнике синхротронного излучения (SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource - SSRL) и LCLS SLAC, а затем объединила весь этот опыт в приборе рентгеновской корреляционной спектроскопии (X-ray Correlation Spectroscopy - XCS) на LCLS, чтобы зафиксировать молекулярные структурные изменения феррицианида.

Для завершения эксперимента ученые использовали как SSRL, так и LCLS. Они не смогли бы завершить разработку новогоо метода без доступа к обоим объектам.

Ссылка на публикацию в открытом доступе: M.Reinhard et al. Ferricyanide photo-aquation pathway revealed by combined femtosecond Kβ main line and valence-to-core x-ray emission spectroscopy, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37922-x.