Ученые на северо-востоке Китая первыми научились управлять реакциями на атомном уровне. Исследование обеспечивает отправную точку для более сложных экспериментов и может привести к более эффективному производству химикатов.
Китайская группа ученых достигла «вехового рубежа» в исследованиях химии, став первыми учеными, которым удалось контролировать химические реакции на атомном уровне. Исследователи, результаты которых были опубликованы в журнале Science, заявили, что их метод позволил им управлять реакциями атомов водорода с беспрецедентной точностью, что в конечном итоге может привести к более эффективному производству химических веществ.
Исследование возглавили Ян Сюэмин и Чжан Дунхуэй из Даляньского института химической физики в северо-восточной провинции Ляонин. И Ян, и Чжан являются членами престижной Академии наук Китая. Команда использовала лазерный луч для управления ориентацией молекул водорода-дейтерия (HD), когда они были заброшены атомами водорода, что привело к более высокому выходу молекул водорода.
Во время химических реакций микроскопические частицы сталкиваются друг с другом и образуют новые структуры. Ориентация сталкивающихся частиц оказывает большое влияние на исход химической реакции. При столкновении атома водорода с одним из концов гантелеобразной молекулы HD образуется в три раза больше молекул водорода, чем при столкновении атома с серединой «гантели».
На протяжении десятилетий инженеры-химики регулировали реакции, добавляя катализаторы и изменяя температуру или давление в реакционной системе, чтобы получить желаемые результаты и производить товары, начиная от лекарств и косметики и заканчивая шинами. Но по мере того, как ученые стремились контролировать реакции на микроскопическом уровне, эти традиционные методы начали давать сбои.
Ученые потратили много лет, пытаясь улучшить свое понимание химических реакций на атомном и молекулярном уровне и придумывая новые инструменты для управления этими реакциями. Эксперимент группы из Даляня, в котором используются самые простые молекулы в природе, предлагает ученым отправную точку для управления более сложными и динамичными типами химических реакций. Рецензенты из Science оценили работу команды как «веху в области динамики реакции».
Эта работа представляет собой обобщение и дальнейшее улучшение нашей работы за последние 20 лет,сказал Сяо Чунлей, соавтор статьи.
В 2006 году команда начала поиск метода обнаружения результатов экспериментов, проведенных в атомном масштабе. В конце концов они изобрели то, что назвали «методом обнаружения Ридберга» для измерения движения атомов.
Это был первый этап наших исследований, на котором наша работа казалась пассивной, поскольку мы могли только наблюдать, но не контролировать состояние реагентов,сказал Сяо.
В 2013 году команда начала экспериментировать с управлением процессом реакции, используя лазеры для подачи энергии в молекулы. Теперь команда может точно контролировать ориентацию молекул реагентов, изменяя направление электрического поля лазера. Чжан возглавил расчетную группу, которая выполнила моделирование квантовой динамики на компьютере. Их расчеты точно совпали с результатами эксперимента, обеспечив дополнительное доказательство динамического процесса.
Предыдущие исследования химических реакций были чем-то вроде «слепого ящика» — результат предопределялся их изначальными квантовыми свойствами, и ученые не могли его контролировать по своему желанию. Это было похоже на игру в кости, чтобы получить желаемый результат. Но теперь мы можем возбудить определенную молекулу и контролировать ее ориентацию, чтобы напрямую получить то, что мы хотим,сказал Чжан.
По словам команды, исследование доказывает, что ориентация молекул и атомов оказывает существенное влияние на фундаментальные химические реакции, и послужит примером для будущих экспериментов.
Эта работа обеспечивает теоретическую основу, основанную на квантовой механике. В будущем мы можем включить в наши исследования более крупные и тяжелые атомы, такие как фтор или хлор,сказал Сяо.
