Исследователи поймали протоны в процессе диссоциации с помощью сверхбыстрой «электронной камеры»
Протоны — ключевые элементы множества биологических и химических реакций, но их движение очень сложно отследить. Они переносятся из одной молекулы в другую за несколько фемтосекунд, то есть одну миллионную миллиардной доли секунды. Чтобы понять, как меняется структура молекул во время таких реакций, ученым нужно уметь «снимать» протоны с очень высокой скоростью и точностью.
Одним из возможных способов сделать это является использование ультрабыстрой электронной дифракции (UED). Это метод, при котором пучок электронов проходит через образец и рассеивается на его атомах. По углам и интенсивности рассеянных электронов можно восстановить структуру образца в разные моменты времени.
Команда исследователей из Национальной лаборатории ускорителей SLAC и Стэнфордского университета в США впервые успешно применила UED для записи движения протонов в молекулах аммиака. Аммиак состоит из одного атома азота и трех атомов водорода. Ученые облучали аммиак ультрафиолетовым светом, вызывая разрыв одной из связей между азотом и водородом, а затем стреляли по нему электронами и регистрировали рассеянные электронные сигналы. Результаты их эксперимента были опубликованы 5 октября 2023 года в журнале Physical Review Letters.

Облучение аммиака, который состоит из одного азота и трех атомов водорода, ультрафиолетовым светом приводит к диссоциации одного водорода от аммиака. Исследователи SLAC использовали сверхбыструю «электронную камеру», чтобы точно наблюдать, что делает водород во время диссоциации. Техника была предложена, но ее эффективность до сих пор так и не была доказана. В будущем исследователи смогут использовать эту технику для изучения переноса водорода — критических химических реакций, которые управляют многими биологическими процессами.
Исследователи использовали электроны с высокой энергией — несколько Мегаэлектронвольт (MeV). Это позволило им получить более четкие изображения протонов, которые имеют очень маленькую массу и заряд по сравнению с другими ядрами. Кроме того, электроны с высокой энергией лучше проникают через газообразный образец, что уменьшает шум на детекторе.
Ученые не только застали сигналы от протона, отделяющегося от ядра азота, но и зафиксировали связанное с этим изменение структуры молекулы. Более того, рассеянные электроны летели под разными углами, поэтому ученые смогли разделить два сигнала.
— Томас Вольф, ученый из SLAC и ведущий автор статьи.
Эксперимент доказал, что UED может быть мощным инструментом для изучения переноса протонов — критически важных химических реакций, которые лежат в основе многих биологических процессов. Например, перенос протонов играет роль в работе ферментов, которые помогают катализировать биохимические реакции, и протонных насосов, необходимых для митохондрий, «энергетических станций» клеток. В будущем ученые смогут использовать UED для наблюдения за такими реакциями в реальном времени и понимания их механизмов.
UED — один из методов, которые используются в Центре ультрабыстрой науки SLAC (ULTRA), где исследуются сверхбыстрые процессы в атомах, молекулах и материалах. Центр объединяет экспертизу и оборудование из разных отделов лаборатории, включая линейный ускоритель, светимость искусственного солнца (LCLS) и научный институт Стэнфорда по фотонике и квантовой информации (SPOQI). В дальнейшем ученые планируют совмещать UED с другими методами, такими как лазерная спектроскопия и рентгеновская дифракция, для получения более полной картины динамики протонов.
Одним из возможных способов сделать это является использование ультрабыстрой электронной дифракции (UED). Это метод, при котором пучок электронов проходит через образец и рассеивается на его атомах. По углам и интенсивности рассеянных электронов можно восстановить структуру образца в разные моменты времени.
Команда исследователей из Национальной лаборатории ускорителей SLAC и Стэнфордского университета в США впервые успешно применила UED для записи движения протонов в молекулах аммиака. Аммиак состоит из одного атома азота и трех атомов водорода. Ученые облучали аммиак ультрафиолетовым светом, вызывая разрыв одной из связей между азотом и водородом, а затем стреляли по нему электронами и регистрировали рассеянные электронные сигналы. Результаты их эксперимента были опубликованы 5 октября 2023 года в журнале Physical Review Letters.
Облучение аммиака, который состоит из одного азота и трех атомов водорода, ультрафиолетовым светом приводит к диссоциации одного водорода от аммиака. Исследователи SLAC использовали сверхбыструю «электронную камеру», чтобы точно наблюдать, что делает водород во время диссоциации. Техника была предложена, но ее эффективность до сих пор так и не была доказана. В будущем исследователи смогут использовать эту технику для изучения переноса водорода — критических химических реакций, которые управляют многими биологическими процессами.
Исследователи использовали электроны с высокой энергией — несколько Мегаэлектронвольт (MeV). Это позволило им получить более четкие изображения протонов, которые имеют очень маленькую массу и заряд по сравнению с другими ядрами. Кроме того, электроны с высокой энергией лучше проникают через газообразный образец, что уменьшает шум на детекторе.
Ученые не только застали сигналы от протона, отделяющегося от ядра азота, но и зафиксировали связанное с этим изменение структуры молекулы. Более того, рассеянные электроны летели под разными углами, поэтому ученые смогли разделить два сигнала.
То, что мы имеем нечто, что чувствительно к электронам, и что-то, что чувствительно к ядрам в рамках одного эксперимента, очень полезно
— Томас Вольф, ученый из SLAC и ведущий автор статьи.
Эксперимент доказал, что UED может быть мощным инструментом для изучения переноса протонов — критически важных химических реакций, которые лежат в основе многих биологических процессов. Например, перенос протонов играет роль в работе ферментов, которые помогают катализировать биохимические реакции, и протонных насосов, необходимых для митохондрий, «энергетических станций» клеток. В будущем ученые смогут использовать UED для наблюдения за такими реакциями в реальном времени и понимания их механизмов.
UED — один из методов, которые используются в Центре ультрабыстрой науки SLAC (ULTRA), где исследуются сверхбыстрые процессы в атомах, молекулах и материалах. Центр объединяет экспертизу и оборудование из разных отделов лаборатории, включая линейный ускоритель, светимость искусственного солнца (LCLS) и научный институт Стэнфорда по фотонике и квантовой информации (SPOQI). В дальнейшем ученые планируют совмещать UED с другими методами, такими как лазерная спектроскопия и рентгеновская дифракция, для получения более полной картины динамики протонов.
- Алексей Павлов
- Nanna H. List/KTH Royal Institute of Technology
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Очередной миф Николая Карамзина полностью развеян российскими археологами
Оказалось, что Иван Грозный не убивал супругу своего младшего брата. Напротив, с княгиней Ульянией Углицкой случалась куда более таинственная и запутанная...
Самая запрещенная русская сказка: почему «Курочку Рябу» не любили ни цари, ни руководители СССР?
Чтобы эту историю можно было рассказывать советским детям, ее сюжет пришлось изменить самым радикальным образом. Но, может быть, это и к лучшему...
Американский «Чернобыль-80»: эта катастрофа едва не изменила всю историю США
Эксперты говорят: лишь счастливая случайность не позволила взорваться заряду в 600 (!) раз мощнее хиросимской бомбы...
Тайна гибели сибирского «Титаника»: почему некоторые детали катастрофы 1921 года неизвестны даже сейчас?
Поразительно, но тогда судьи единогласно оправдали капитана парохода. Так кто же тогда был виновником этого страшного происшествия?...
Японец 26 лет ждал, пока раскроют убийство его жены. Часть 2. Расплата
Как наука отменила срок давности у преступления? И какая тайна осталась не раскрытой?...
Гениальное ДНК-«мошенничество»: ученые раскрыли секрет рыбы, которая плевать хотела на главные законы биологии
100 000 лет успешного клонирования: амазонская моллинезия просто... копирует себя. И при этом удивительно успешно ремонтируют поврежденные гены, насмехаясь над...
Почему на Иран обрушился черный дождь и насколько он опасен?
Экологи говорят: агрессивные действия США и Израиля поставили под угрозу здоровье миллионов людей по всей планете...
Японец 26 лет ждал, пока раскроют убийство его жены
Как новейшие технологии помогли сдвинуть с места нераскрываемое дело...
Главный секрет человеческого дыхания: ученые рассказали, почему мы дышим «вахтовым методом»
Эксперты предупреждают: из-за особенности организма многие люди не смогут попасть в космос. Но решение все-таки есть...
Раскрыта главная тайна антарктического льда: ученые узнали, как и кем была взломана природная защита Шестого континента
Похоже, той Антарктиде, которую мы знаем, приходит конец. Впрочем, это не точно...
43 000 черепков открыли тысячелетние тайны Древнего Египта
Почему глиняная библиотека Атрибиса потрясла весь археологический мир?...