Понимание и контроль молекулы, создавшей вселенную

Тригидроген, или H3 +, признан учеными молекулой, создавшей Вселенную. В недавних выпусках Nature Communications и Journal of Chemical Physics исследователи Мичиганского государственного университета использовали высокоскоростные лазеры, чтобы пролить свет на механизмы, которые являются ключевыми в создании H3 + и его необычной химии.

H3 + распространен во Вселенной, Млечном Пути, газовых гигантах и ионосфере Земли. Он также создается и изучается в лаборатории Маркоса Дантуса, заслуженного профессора химии и физики Университета. Используя сверхбыстрые лазеры и технологию, изобретенную Дантусом, команда ученых начинает понимать химию этой культовой молекулы.

"Наблюдение за тем, как блуждающие молекулы H2 эволюционируют до H3 +, не что иное, как поразительно", - сказал Дантус. "Мы впервые задокументировали этот процесс с использованием метанола; теперь мы смогли расширить и воспроизвести этот процесс в нескольких молекулах и определили ряд новых путей".

Астрохимики видят общую картину, наблюдая за H3 + и определяя ее с межзвездной точки зрения. Она создается так быстро - за меньшее время, чем требуется пуле, чтобы пересечь атом, - что чрезвычайно трудно понять, как за такой короткий промежуток времени разрушаются три химические связи и образуются три новых.

Вот когда в игру вступают химики, использующие фемтосекундные лазеры. Вместо того, чтобы изучать звезды с помощью телескопа, команда Дантуса буквально смотрит на маленькую картинку. Вся процедура рассматривается на молекулярном уровне и измеряется в фемтосекундах - 1 миллионная от 1 миллиардной доли секунды. Процесс, который рассматривает команда, занимает от 100 до 240 фемтосекунд. Дантус знает это, потому что часы начинаются, когда он запускает первый лазерный импульс. Затем лазерный импульс "видит", что происходит.

Двухлазерный метод выявил перенос водорода, а также химический состав водорода, который отвечает за образование H3 +. Перемещающиеся механизмы на короткое время генерируют нейтральную молекулу (H2), которая остается поблизости и выделяет третью молекулу водорода с образованием H3 +. И оказывается, что это может произойти не одним способом. В одном эксперименте с участием этанола команда выявила шесть потенциальных путей, подтвердив четыре из них.

Поскольку лазерные импульсы сравнимы со звуковыми волнами, команда Дантуса обнаружила "мелодию", которая усиливает образование H3 + и препятствует образованию. При преобразовании этих "сформированных" импульсов в скользящий свист происходит успешное формирование, когда нота начинается бемолями, слегка поднимается и заканчивается нисходящим, более глубоким погружением. Эта песня - музыка для ушей химиков, которые могут представить множество потенциальных применений для этого прорыва.

"Эти химические реакции являются строительными блоками жизни во Вселенной", - сказал Дантус. "Распространенность блуждающих молекул водорода в высокоэнергетических химических реакциях с участием органических молекул и органических ионов актуальна не только для материалов, облучаемых лазерами, но и для материалов и тканей, облучаемых рентгеновскими лучами, электронами высокой энергии, позитронами и многим другим".

Это исследование раскрывает химию, которая имеет отношение к образованию воды и органических молекул во Вселенной. Секреты, которые она может раскрыть, от астрохимических до медицинских, бесконечны, добавил он.