Физики приблизились к управлению химическими реакциями

Ученые разработали алгоритм для предсказания влияния внешнего электромагнитного поля на состояние сложных молекул. Это шаг к возможности наблюдать электронное движение и в перспективе управлять им.

4 143

Выбор редакции

Группа исследователей из МФТИ и Орхусского университета (Дания) разработала алгоритм на основе созданной ими ранее теории для предсказания влияния внешнего электромагнитного поля на состояние сложных молекул, а конкретно — для расчета скорости их туннельной ионизации.

 

Туннельная ионизация молекулы — процесс высвобождения электрона через потенциальный барьер, который удерживает его в молекуле. Этот шаг подводит ученых к возможности заглядывать внутрь больших многоатомных молекул, наблюдать электронное движение в них и в перспективе управлять им. Работа опубликована в журнале The Journal of Chemical Physics.

 

Применяя современные технологии, физики могут восстанавливать электронную структуру молекулы. Для этого используется излучение мощных лазеров. Ученые определяют структуру молекулы, анализируя спектры переизлучения и продукты взаимодействия молекулы с электромагнитным полем лазерного излучения.

 

Эти продукты — фотоны, электроны и ионы, которые образуются после ионизации или диссоциации (разрушения) молекулы. В предыдущих работах, в которых принимали участие ученые МФТИ из группы Олега Толстихина, было показано, что изучение взаимодействия молекул с сильным электромагнитным полем лазера приводит не только к пониманию электронной структуры молекулы, но и к возможности управления движением электронов в ней с аттосекундным временным разрешением.

 

Ориентация молекулы нафталина по отношению ко внешнему электрическому полю может быть описана двумя углами β и γ следующим образом. Электрическое поле F направлено вдоль оси z′, угол между молекулярной осью z и осью z′ образует угол β. Угол γ поворота вокруг оси z определяет произвольную конечную ориентацию молекулы по отношению к полю F. Такие углы называются углами Эйлера. На рисунке также показаны две внешние (а и b) орбитали молекулы нафталина — области локализации двух внешних электронов молекулы, которые в присутствии сильного электрического поля ионизуются в первую очередь / Рисунок предоставлен авторами исследования

Ориентация молекулы нафталина по отношению ко внешнему электрическому полю может быть описана двумя углами β и γ следующим образом. Электрическое поле F направлено вдоль оси z′, угол между молекулярной осью z и осью z′ образует угол β. Угол γ поворота вокруг оси z определяет произвольную конечную ориентацию молекулы по отношению к полю F. Такие углы называются углами Эйлера. На рисунке также показаны две внешние (а и b) орбитали молекулы нафталина — области локализации двух внешних электронов молекулы, которые в присутствии сильного электрического поля ионизуются в первую очередь / Рисунок предоставлен авторами исследования

 

Аттосекунда — это миллиардная часть миллиардной доли секунды. За это время свет лазера проходит расстояние менее десятитысячной доли микрометра, что соответствует размерам небольшой молекулы.

 

«Если поместить молекулу в поле сильного лазерного излучения, произойдет ее ионизация: электрон оторвется от молекулы. Двигаясь под действием переменного лазерного поля, электрон может в какой-то момент вернуться к родительскому молекулярному иону.

 

Результатом их взаимодействия может стать перерассеяние, рекомбинация электрона — или диссоциация молекулы. По этим процессам возможно восстановить картину электронного и ядерного движения в молекуле, что представляет огромный интерес в современной физике», — говорит Андрей Днестрян, член группы теоретической аттосекундной физики в МФТИ.

 

Зависимость рассчитанных структурных факторов двух внешних (НОМО и НОМО-1, англ. highest occupied molecular orbital) орбиталей молекулы нафталина от углов Эйлера β и γ с рисунка 1. Цветом показана шкала величин модуля структурного фактора — от красного в минимуме до желтого и фиолетового в максимуме. Квадрат модуля структурного фактора определяет скорость туннельной ионизации (из данной орбитали) в направлении, противоположном полю, поскольку электрон имеет отрицательный заряд / Рисунок предоставлен авторами исследования

Зависимость рассчитанных структурных факторов двух внешних (НОМО и НОМО-1, англ. highest occupied molecular orbital) орбиталей молекулы нафталина от углов Эйлера β и γ с рисунка 1. Цветом показана шкала величин модуля структурного фактора — от красного в минимуме до желтого и фиолетового в максимуме. Квадрат модуля структурного фактора определяет скорость туннельной ионизации (из данной орбитали) в направлении, противоположном полю, поскольку электрон имеет отрицательный заряд / Рисунок предоставлен авторами исследования
 

Сегодняшний интерес к туннельной ионизации объясняется ее ролью в экспериментах по наблюдению электронного и ядерного движения в молекулах с аттосекундным временным разрешением. Так, туннельная ионизация — первый шаг к отслеживанию перемещения электронов и «дырок» вдоль молекулы.

 

В перспективе это позволит управлять их движением, что поможет контролировать исходы химических реакций и откроет новые возможности в молекулярной биологии, медицине и других областях промышленности. Для успешного извлечения динамики в этих экспериментах необходимы точные и надежные расчеты скоростей туннельной ионизации.

 

Скорость туннельной ионизации можно интерпретировать как вероятность вылета электрона из молекулы в определенном направлении. Эта вероятность зависит от того, как ориентирована молекула по отношению к внешнему электромагнитному полю.

 

Существующие теории связывают скорость туннельной ионизации с поведением электронов вдалеке от ядер атомов, составляющих молекулу. Но современные программы квантово-механических расчетов и квантово-вычислительной химии не дают правильного предсказания состояния электронов в этой удаленной области.

 

«Недавно нам удалось переформулировать асимптотическую теорию туннельной ионизации так, чтобы скорость туннельной ионизации определялась только поведением электронов вблизи ядер. А это поведение может быть рассчитано достаточно точно существующими методами.

 

Существующие раньше подходы позволяли делать расчеты скоростей туннельной ионизации только для маленьких молекул с небольшим количеством атомов, теперь же это можно делать и для значительно более крупных. Чтобы это продемонстрировать, мы привели в своей работе расчеты для молекул бензола и нафталина», — рассказывает Андрей Днестрян.

 

Авторы работы рассчитали скорости туннельной ионизации для нескольких молекул в зависимости от их ориентации относительно внешнего поля. Они разработали программу, которая выполняет эти вычисления, и планируют сделать ее общедоступной.

 

Это позволит экспериментаторам быстро получать по наблюдаемым спектрам структуру исследуемых больших молекул с аттосекундным временным разрешением.

 

«Эта работа превращает развитую нами в 2011 году асимптотическую теорию туннельной ионизации в мощный метод расчета скоростей ионизации произвольных многоатомных молекул. Это необходимо для решения широкого круга задач физики сильного лазерного поля и аттосекундной физики», — говорит руководитель группы теоретической аттосекундной физики МФТИ Олег Толстихин.

Naked Science Facebook VK Twitter
Физтех
112Статей
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
4 143
Комментарии
Аватар пользователя Ilia Aksenov
5 ч
До тех пора, пока эти ребята не поймут, что в основе...
Аватар пользователя Александр Литвинов
10 ч
Запрет на иммунотерапию профилактики и излечения рака...
Аватар пользователя Сергей Трясейкин
11 ч
Как будто что-то изменилось за это время :(

Колумнисты

Физтех
112Статей
Сколтех
42Статьи
Discovery Channel
32Статьи
СО РАН
7Статей
Комментарии
Данная статья подтверждает, что мифология в науке неистребима, миф о математической точности основная скрепа научной мифологии вычисления в физике. Если кто то думает что может точно определить положение точно точки в пространстве относительно осей координат - основа всех заблуждений. Почему?
Как я уже раньше отмечал что если есть единица измерения или просто единица, то измерение вы будете делать не от начала координат а от ЕДИНИЦЫ! А единица не имеет размеров, то есть количественного выражения. Ведь основа всех математических понятий, как точка, прямая плоскость, пространство, бесконечность, непрерывность, мгновенность и т.д. - понятия физические то есть свойства не имеют количественного выражения.
Когда математик утверждает, что две пересекающиеся прямые имеют общую точку! Пересечение прямых(отрезков) это как??? Если на место пересечения претендуют две точки от разных прямых или что означает совпадение двух точек (чисел), как физического состояния. Я имею ввиду, диаграммы Эйлера и Венна, замечательные математики не понимали, что они доказывают, количественные отношения не определяют расположение множеств пространстве их пересечения или объединения, это в полной мере относится к свойствам бесконечно малых величин.

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку