Течности и раствори могу изгледати једноставни, али на молекуларном нивоу они су стално у покрету. Када се шећер раствори у води, на пример, сваки молекул шећера је брзо окружен померањем кластера молекула воде. Унутар живих ћелија ситуација постаје још сложенија. Мале течне капљице преносе протеине или РНК и помажу у организовању многих хемијских реакција ћелије.
Упркос њиховој централној улози у биологији и хемији, течности су дуго одолевале пажљивом прегледу. За разлику од чврстих материја, оне немају фиксну структуру, а најважније интеракције између растворених молекула и њиховог окружења дешавају се екстремним брзинама. Ови ултрабрзи догађаји, где се хемија заиста одвија, углавном су остали ван домашаја научника.
Нови начин да видите ултрабрзу хемију у течностима
Истраживачи са Државног универзитета Охајо и Државног универзитета Луизијане су сада показали да високохармонијска спектроскопија (ХХС) може открити скривене молекуларне структуре унутар течности. Ова нелинеарна оптичка техника је способна да прати кретање електрона на временским скалама атосекунде. Рад, објављен у ПНАСпоказује да ХХС може директно да испита интеракције раствора и растварача у течним растворима, нешто што раније није било могуће.
ХХС користи изузетно кратке ласерске импулсе да тренутно повуче електроне од молекула. Када се ти електрони повуку, емитују светлост која носи детаљне информације о томе како се крећу електрони, па чак и атомска језгра. Ови снимци се јављају у временским оквирима далеко бржим него што конвенционалне методе могу да реше. Традиционална оптичка спектроскопија се широко користи за проучавање течности јер је нежна и лака за тумачење, али ради много спорије. ХХС, с друге стране, допире до екстремног ултраљубичастог опсега и може да реши догађаје који трају само једну атосекунду, милијарду милијардитог дела секунде.
Превазилажење изазова проучавања течности
До сада су ХХС експерименти били углавном ограничени на гасове и чврсте материје, где је услове лакше контролисати. Течности представљају две велике препреке. Они апсорбују већи део произведене хармонијске светлости, а њихови молекули који се стално крећу отежавају анализу резултирајућих сигнала.
Да би се позабавио овим проблемима, тим ОСУ-ЛСУ развио је ултратанак течни „лим“ који омогућава да више емитоване светлости побегне. Користећи овај приступ, они су по први пут показали да ХХС може ухватити брзу молекуларну динамику и суптилне структурне промене у течностима.
Изненађујући резултат од једноставних течних смеша
Са овом новом поставком, истраживачи су тестирали како се ХХС понаша у једноставним течним смешама. Они су сијали интензивно средње инфрацрвено ласерско светло на метанол у комбинацији са малим количинама халобензена. Ови молекули су скоро идентични, разликују се само по једном атому: флуор, хлор, бром или јод. Халобензени производе јаке хармонијске сигнале који се јасно истичу, док метанол пружа релативно чисту позадину. Очекивало се да ће чак и када је присутан у ниским концентрацијама, доминирати сигнал халобензена.
У већини случајева се управо то догодило. Хармонична емисија је изгледала као једноставна мешавина две течности. Флуоробензен (ПхФ), међутим, одмах се истакао. „Били смо заиста изненађени када смо видели да је раствор ПхФ-метанола дао потпуно другачије резултате од других решења“, рекли су Лу ДиМауро, Едвард Е. и Силвија Хагенлокер професор физике на ОСУ. „Не само да је принос смеше био много мањи него за сваку течност за себе, већ смо такође открили да је један хармоник потпуно потиснут.“ Он је додао да је „тако дубоко потискивање јасан знак деструктивне сметње, а морало је да буде изазвано нечим у близини емитера”.
Практично, мешавина ПхФ-метанола је произвела мање светлости од било које течности сама по себи, а један специфични хармоник је потпуно нестао. Као да је једна једина нота у светлосном спектру била утишана. Ова врста селективног губитка је изузетно ретка и указује на врло специфичну молекуларну интеракцију која омета кретање електрона.
Симулације откривају молекуларно руковање
Да би разумео шта се дешава, теоријски тим ОСУ је спровео велике симулације молекуларне динамике. Џон Херберт, професор хемије и вођа теоријских напора, објаснио је: „Открили смо да се мешавина ПхФ-метанола суптилно разликује од осталих. Електронегативност Ф атома промовише ‘молекуларно руковање’ (или водоничну везу) са ОХ крајем метанола, док је у другим смешама дистрибуција ПхКс мола више молекула ПхКс. Укратко, флуоробензен формира организованију структуру солватације од осталих халобензена.
Група за теорију ЛСУ је затим истражила да ли овај аранжман може објаснити експерименталне резултате. Метте Гаарде, професор физике Боид, рекао је: „Спекулисали смо да електронска густина око Ф атома пружа додатну баријеру за распршивање убрзаних електрона и да би то пореметило процес генерисања хармоника. Користећи модел заснован на Сцхродингеровој једначини зависној од времена, истраживачи су потврдили да таква баријера расејања може објаснити и хармоник који недостаје и смањен укупни излаз светлости. „Такође смо сазнали да је потискивање било веома осетљиво на локацију баријере – то значи да детаљ хармонијског потискивања носи информације о локалној структури која је формирана током процеса солватације“, додала је Сухарита Гири, постдокторски истраживач на ЛСУ.
„Били смо узбуђени што смо могли да комбинујемо резултате експеримента и теорије, преко физике, хемије и оптике, да научимо нешто ново о динамици електрона у сложеном течном окружењу.“
Метте Гаарде, професор физике ЛСУ Боид
Зашто је ово откриће важно
Иако је потребно више рада да би се у потпуности истражило шта ХХС може открити у течностима, рани резултати су охрабрујући. Многи од најважнијих хемијских и биолошких процеса одвијају се у течним срединама. Енергије укључених електрона су такође сличне онима одговорним за оштећење зрачења. Стицање јасније слике о томе како се електрони распршују у густим течностима могло би стога имати широке импликације за хемију, биологију и науку о материјалима.
Као што је ДиМауро приметио, „Наши резултати показују да генерисање високих хармонија у фази раствора може бити осетљиво на одређене интеракције раствор-растварач, а тиме и на локално течно окружење. Узбуђени смо због будућности овог поља.“ Истраживачи очекују да ће континуирани напредак у експериментима и симулацијама проширити употребу ове технике и пружити све детаљније погледе на то како течности реагују на ултрабрзе ласерске импулсе.
Кључни сарадници овог рада су Ериц Мооре, Андреас Кутсогианнис, Тахерех Алави и Грег МцЦрацкен из ОСУ; и Кенет Лопата са ЛСУ. Ову студију финансирали су Канцеларија за науку ДОЕ, основне енергетске науке и Национална научна фондација.
