Химия реакций на фемтосекундных временных масштабах
Femtochemistry
Фемтохимия: изучение химических реакций в реальном времени на фемтосекундных масштабах (10⁻¹⁵ сек). Лазерная визуализация движения атомов, Нобелевская премия Зевайла.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Химия реакций на временных масштабах 10^15 секунд
Chemistry of reactions on 10^ 15 second timescales
Фемтохимия – это область физической химии, изучающая химические реакции на чрезвычайно коротких временных масштабах (примерно 10−15 секунд, или одна фемтосекунда, откуда и название) для изучения самого процесса перестройки атомов внутри молекул (реагентов) с образованием новых молекул (продуктов). В 1988 году в журнале Science Ахмед Хасан Зейвейл впервые использовал этот термин в своей статье, заявив: «Фемтохимия в реальном времени, то есть химия на фемтосекундном временном масштабе». Позднее, в 1999 году, Зейвей получил Нобелевскую премию по химии за его новаторские работы в этой области, продемонстрировавшие возможность наблюдения за движением атомов в молекуле во время химической реакции с помощью лазерных импульсов. Применение фемтохимии в биологических исследованиях также способствовало выяснению конформационной динамики структур «стебель-петля» РНК. Многие публикации обсуждали возможность управления химическими реакциями этим методом, однако этот вопрос остаётся дискуссионным. Отдельные стадии некоторых реакций протекают на фемтосекундных, а иногда и на аттосекундных временных масштабах, и могут приводить к образованию промежуточных продуктов. Эти промежуточные продукты реакции не всегда можно определить, наблюдая только исходные и конечные продукты.
Femtochemistry is the area of physical chemistry that studies chemical reactions on extremely short timescales (approximately 10−15 seconds or one femtosecond, hence the name) in order to study the very act of atoms within molecules (reactants) rearranging themselves to form new molecules (products). In a 1988 issue of the journal Science, Ahmed Hassan Zewail published an article using this term for the first time, stating "Real time femtochemistry, that is, chemistry on the femtosecond timescale ". Later in 1999, Zewail received the Nobel Prize in Chemistry for his pioneering work in this field showing that it is possible to see how atoms in a molecule move during a chemical reaction with flashes of laser light. Application of femtochemistry in biological studies has also helped to elucidate the conformational dynamics of stem loop RNA structures. Many publications have discussed the possibility of controlling chemical reactions by this method, but this remains controversial. The steps in some reactions occur in the femtosecond timescale and sometimes in attosecond timescales, and will sometimes form intermediate products. These reaction intermediates cannot always be deduced from observing the start and end products.
Спектроскопия насос-зонды
Самый простой подход и один из самых распространенных методов известен как спектроскопия накачка-зондирование. В этом методе для исследования процессов, происходящих во время химической реакции, используются два или более оптических импульса с переменной временной задержкой между ними. Первый импульс (накачка) инициирует реакцию, разрывая химическую связь или возбуждая один из реагентов. Второй импульс (зондирование) затем используется для анализа состояния реакции через определенный промежуток времени после ее начала. По мере протекания реакции, реакция системы на импульс зондирования будет изменяться. Постоянно сканируя временную задержку между импульсами накачки и зондирования и наблюдая за изменениями, исследователи могут реконструировать ход реакции во времени.
The simplest approach and still one of the most common techniques is known as pump–probe spectroscopy. In this method, two or more optical pulses with variable time delay between them are used to investigate the processes happening during a chemical reaction. The first pulse (pump) initiates the reaction, by breaking a bond or exciting one of the reactants. The second pulse (probe) is then used to interrogate the progress of the reaction a certain period of time after initiation. As the reaction progresses, the response of the reacting system to the probe pulse will change. By continually scanning the time delay between pump and probe pulses and observing the response, workers can reconstruct the progress of the reaction as a function of time.
Диссоциация брома
Фемтохимия была использована для изучения временной динамики электронных стадий диссоциации брома. При диссоциации под воздействием лазерного импульса длиной волны 400 нм электроны полностью локализуются на отдельных атомах через 140 фс, а атомы брома оказываются на расстоянии 6,0 Å друг от друга через 160 фс.
Femtochemistry has been used to show the time resolved electronic stages of bromine dissociation. When dissociated by a 400 nm laser pulse, electrons completely localize onto individual atoms after 140 fs, with Br atoms separated by 6.0 Å after 160 fs.