Нобелевская премия 1999 года
Освоение коротких лазерных импульсов раздвинуло горизонты химии и привнесло в химию новые идеи, получившие воплощение в фемтохимии. Используя фемтосекундные импульсы в качестве фотовспышки, физики научились «останавливать время» и отслеживать движение отдельных атомов в молекулах при химических реакциях, за эти работы американский химик А. Зевейл был удостоен Нобелевской премии по химии в 1999 г. - за исследования переходных состояний химических реакций с помощью фемтосекундной спектроскопии.
Награда за развитие фемтохимии
В 1999 году Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по химии профессору Ахмеду Х. Зеваилу за новаторское исследование фундаментальных химических реакций с использованием ультракоротких лазерных вспышек. Вклад профессора Зевайла произвел революцию в химии и смежных науках, поскольку созданная ученым фемтосекундная спектроскопия позволяет понять и предсказывать механизм важнейших сверхбыстрых химических, биохимических и биофизических реакций.
.Стремление химиков иметь возможность проследить химические реакции в мельчайших подробностях привело к появлению все более совершенных технологий. Американский химик Ахмед Х. Зеваил смог наблюдать механизм химических реакций в «замедленном движении» и поэтому понять, что на самом деле происходит, когда разрываются химические связи и создаются новые, используя революционную технологию фемтосекундной спектроскопии.
В методе фемтосекундной спектроскопии работает самая быстрая камера в мире. Она использует лазерные вспышки измеряемые фемтосекундами (фс). Одна фемтосекундна это 10 в минус пятнадцатой степени секунд, то есть 0.000000000000001 секунд. Область физической химии изучающая химические реакции на таких временных интервалах получила название фемтохимии.
Что такое фемтохимия? Это исследование химических реакций с помощью фемтосекундных лазеров. Дело в том, что 100 фемтосекунд — это приблизительно то время, за которое происходит превращение одной молекулы в другую в ходе химической реакции. Поэтому если у вас есть импульс, который короче 100 фемтосекунд, то вы можете как бы “сфотографировать” молекулу в ходе её превращения. Сделав несколько таких фотографий в разные моменты времени, вы можете восстановить и весь ход реакции, а значит, сможете узнать, как она происходит, и понять, что можно изменить, чтобы её ускорить или замедлить — в зависимости от того, что вам надо. Фемтохимия позволяет понять, почему происходят одни химические реакции, а другие нет. Она может объяснить, почему скорость и выход реакций зависят от температуры. Сегодня химики всего мира изучают процессы с помощью фемтосекундной спектроскопии в газах, жидкостях и твердых телах, на поверхностях и в полимерах.
Химическая реакция как событие
"Собственно химическая реакция есть преобразование молекул-реагентов в молекулы-продукты, она включает перегруппировку атомов и преобразование их электронных "одежд". Это центральное событие, вокруг которого обращается вся химия. Это событие происходит на поверхности потенциальной энергии реагирующей системы, когда система движется из долины реагентов в долину продуктов через перевал, высота которого по отношению к уровню долины реагентов есть энергия активации реакции, а конфигурация атомов реагирующей системы есть переходное состояние реакции." А. Л. Бучаченко "Время в химии"
Время в химию вводит химическая кинетика – наука о скоростях химических процессов. Эта наука универсальна, она пригодна для описания всех химических реакций – от образования руд в геохимических процессах с длительностью многих миллионов лет до взрыва, происходящего за миллионные доли секунды. Химическая кинетика вошла во все разделы химии; она поднялась на уровень общехимической науки, стала химической культурой, составной частью химического мышления.
Общим для большинства реакций является то, что их скорость увеличивается с повышением температуры, то есть когда усиливается движение молекул. Химики долгое время считали, что необходимым условием протекания реакции должна быть активация молекулы, которая позволит ей преодолеть энергетический барьер, за которым будет возможна химическая реакция. Когда две молекулы сталкиваются, обычно ничего не происходит, они просто отскакивают друг от друга. Но когда температура достаточно высока, столкновения настолько сильны, что позволяют молекулам вступать в реакцию друг с другом, с образованием новых связей. Как только молекула получает достаточно сильный «температурный удар», она реагирует невероятно быстро, ее химические связи разрываются и образуются новые.
Энергетический барьер определяется силами, которые удерживают атомы вместе в молекуле (химические связи). Но до недавнего времени было мало что известно о механизме преодоления барьера и о том, как молекула действительно выглядит, когда она находится в «переходном состоянии».
Столетние исследования
Сванте Аррениус (лауреат Нобелевской премии по химии 1903 г.), вдохновленный Вант Хоффом (первым лауреатом Нобелевской премии по химии 1901 г.), чуть более ста лет назад представил простую формулу скорости реакции как функции температуры.
Но формула работает на макроскопическом уровне, и в относительно большом промежутке времени. Только в 1930-х годах Х. Эйринг и М. Поланьи сформулировали теорию активированного комплекса /переходного состояния, основанную на реакциях в микроскопических системах отдельных молекул. Теоретическое предположение заключалось в том, что переходное состояние протекает очень быстро в масштабе времени, сопоставимом с молекулярными колебаниями.
"Наука, исследующая временное поведение реагирующей системы на перевале и его окрестностях, названа химической динамикой. В отличие от химической кинетики, которая измеряет время между химическими событиями, её наследник – химическая динамика – измеряет время самого события, следит за движением атомов в момент преобразования реагентов в продукты. И если химическая реакция – сердце всей химии, то химическая динамика есть кардиограмма этого сердца." Н. Е. Аблесимов
Буквально до конца ХХ века, никто из ученых и не мечтал о том, что когда-либо будет возможно проследить за реакцией в предельно малых интервалах времени.
Но это именно то, что сделал Ахмед Х. Зеваил. В конце 1980-х он провел серию экспериментов, которые, в итоге, привели к рождению новой области исследований - фемтохимии. В своих экспериментах Зеваил использовал высокоскоростную камеру для снимков молекул в реальном ходе химических реакций в переходной стадии. В основе камеры лежит новая лазерная технология со световыми вспышками в несколько десятков фемтосекунд. Время, необходимое для того, чтобы атомы в молекуле совершили одно колебание, обычно составляет 10–100 фс., химические реакции происходят в той же шкале времени, что и колебания атомов в молекулах.
"Освоение лазеров раздвинуло горизонты химии и обеспечило прорыв в изучении кинетики элементарных химических взаимодействий (10-14–10-13 с). Эти времена гораздо меньше периода колебаний атомов в молекулах (10-13–10-11 с). Благодаря такому соотношению времен фемтохимия видит саму химическую реакцию – как перемещаются во времени и в пространстве атомы, когда молекулы-реагенты преобразуются в молекулы продуктов. Это крупное достижение современной химии: оно открыло прямые пути исследования механизмов химических реакций, а значит, пути управления реакциями. Успехи, достигнутые при использовании фемтосекундных импульсов, привели к открытию другой науки – фемтобиологии. Особенности фемтосекундных импульсов позволяют: обеспечивать высокое временное разрешение, образовывать когерентные колебательно-вращательные волновые пакеты, легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, воздействовать на поверхность потенциальной энергии. Основные направления этой новой области исследований – это изучение детальных микроскопических химических процессов и управление ими на фемтосекундной шкале времени." Н. Е. Аблесимов
Спасибо за внимание!