Когда молекула поглощает свет, это может вызвать целый ряд реакций.
Это включает в себя образование новых связей или даже изменение порядка атомов в одной молекуле для создания новых химических веществ.
Эти вызванные светом изменения, известные как фотохимическая динамика, могут быть сложными для изучения, поскольку они могут происходить во временных масштабах фемтосекунд, настолько быстро, что даже самая быстрая камера будет изо всех сил стараться не отставать.
Доктор Арт Брэгг и его исследовательская группа в Джоне Хопкинсе решают эту проблему с помощью сверхбыстрой лазерной спектроскопии, чтобы по-новому взглянуть на то, как происходят самые быстрые реакции.
То, как молекулы взаимодействуют со светом, играет важную роль в нашей повседневной жизни. Один из способов, которым мы воспринимаем цвет объекта, состоит в том, что он поглощает все другие длины волны света, отражая только тот цвет, который мы считаем.
Однако иногда пакеты световой энергии, которые мы называем фотонами - которые позволяют нам видеть цвета и объекты, - не настолько мягки. Поглощение фотона может фактически вызвать реакции, которые изменяют химическую структуру разновидностей.
Одним из распространенных примеров этого является то, как краски и ткани теряют свой цвет и разрушаются при воздействии света. Когда молекулы со временем поглощают фотоны и их энергию, они начинают разрушаться и формировать новые химические частицы с оптическими свойствами, отличными от исходной молекулы.
Тем не менее, взаимодействие со светом не должно быть разрушительным для молекул. Некоторые молекулы используют энергию света в качестве удара для формирования новых химических связей. Такая фотохимия является обычной уловкой, используемой синтетическими химиками для создания новых химических веществ, которые не могут быть сформированы обычными методами, такими как нагревание, в одиночку.
Доктор Арт Брэгг и его команда из Джона Хопкинса используют самые современные лазерные технологии, чтобы точно понять, какие процессы происходят после поглощения молекул фотонами. Используя импульсные фемтосекундные лазеры, способные генерировать вспышки фотонов, которые длятся всего четыре миллиарда секунд, он собрал воедино подробные механизмы того, как молекулярные частицы изменяются светом.
Фотохимия
В одном из исследовательских проектов доктор Брэгг применяет свои фемтосекундные спектроскопические методы для понимания реакций образования фотохимических связей с изысканным уровнем детализации. В частности, он исследовал класс химических реакций, известных как фотоиндуцированные реакции электроциклизации.
Это широкое семейство реакций, в которых электронная плотность, либо внутри молекулы, либо между двумя или более различными молекулами, перестраивается с образованием новых химических связей в объединенном кольце. Эта химическая структура лежит в основе многих полезных соединений, включая полиароматические углеводороды, ценные промежуточные соединения в химическом синтезе многих соединений, включая фармацевтические препараты.
Доктор Арт Брэгг и его команда используют самые современные лазерные технологии, чтобы точно понять, какие процессы происходят после поглощения молекул фотонами.
Используя комбинацию сверхбыстрой спектроскопии и квантово-химических расчетов, доктор Брэгг определил ключевые промежуточные структуры в реакции фотоциклизации. Зная эти структуры, доктор Брэгг расшифровал, как структурно модифицировать исходную молекулу, чтобы влиять на конечные продукты фотоиндуцированной реакции электроциклизации.
В конечном итоге это включает изменение поведения молекул в неравновесном или возбужденном состоянии, в котором находится молекула после процесса поглощения фотонов. Точная настройка химического состава возбужденного состояния является важным шагом в способности повысить выход продукта для индуцированного светом синтеза важных соединений.
Фотопереключение
В дополнение к образованию новых связей поглощение света также может приводить к изменению общей формы молекулы, процесс, известный как фотоизомеризация.
Структурная перестройка положений атомов в молекуле происходит из-за того, что определенные конфигурации стабилизируются в возбужденном состоянии, которое может быть энергетически недоступным в невозмущенном основном состоянии молекулы. Это позволяет молекулам достигать новых структур после выхода из этих состояний с более высокой энергией.
Доктор Брэгг сосредоточил свое внимание на процессах фотоизомеризации молекулярных переключателей - молекул, которые имеют две разные стабильные геометрии, которые могут взаимопревращаться при поглощении света.
В то время как две формы молекулы имеют все одинаковые атомы и являются структурами, которые обычно отличаются поворотом вокруг одной связи, они могут иметь очень разные свойства, в том числе поглощать свет на таких разных длинах волн, что две формы молекулы имеют разные цвета.
Один фотопереключатель, демонстрирующий низкую эффективность переключения, был особенно интересен группе доктора Брэгга. Команда обнаружила, что этот фотопереключатель имеет различные конформеры (которые представляют собой небольшие структурные изменения одного и того же изомера).
В свою очередь, конформеры имеют очень разную динамику релаксации, только одна из которых является реакционноспособной для изомеризации. Кроме того, на эффективность изомеризации этого переключателя влияет то, каким образом определенное возбужденное состояние молекулы достигается за счет поглощения света и деталей каскада процессов, что приводит к его дезактивации.
Когда молекула поглощает избыточную энергию от фотона, это новое неравновесное состояние обычно нестабильно, и поэтому молекула пытается найти способы избавиться от этой избыточной энергии.
Для этого может потребоваться преобразование между различными структурами, передача энергии колебаниям связей, или в случае молекул в растворе, путем потери энергии окружающим молекулам растворителя в результате столкновений.
Как происходит энергетическое расслабление и сколько времени это занимает, зависит от системы; некоторые молекулы, такие как молекулы в нашей ДНК, невероятно эффективны в преобразовании энергии света в тепло, что помогает защитить нас от болезней, таких как рак кожи, в то время как другим может потребоваться гораздо больше времени для расслабления, что делает их очень реактивными в то же время.
Работа доктора Брэгга помогает нам понять сложную фотоиндуцированную динамику в больших органических системах, которые являются строительными блоками новой молекулярной оптоэлектроники.
Фотохимические переключатели представляют собой захватывающий класс молекул, поскольку они являются строительными блоками молекулярных машин, которые способны собирать световую энергию и превращать ее в полезную механическую работу.
Они также могут быть использованы для оптического хранения данных и для молекулярной электроники. Однако, несмотря на волнение по поводу множества потенциальных приложений для таких систем, еще многое предстоит узнать о том, как они работают и как управлять их эффективностью и свойствами - именно то, что может извлечь из своей детальной подробной механистической информации доктор Брэгг