
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

«Инопланетяне» на Земле? Древние 8-метровые «грибы» оказались совершенно неизвестной формой жизни
Вот уже 180 лет подряд живые «башни» ставят в тупик всю науку....

«Шерстистый дьявол» обнаружен в пустыне, на границе Мексики и США
Ученые говорят: такой уникальной находки не было последние полвека....

Скрытые миллиарды: население Земли оказалось гораздо больше, чем считалось
Новые исследования бросают вызов официальным демографическим данным....

Американские спецслужбы скрывают правду о самой древней из библейских реликвий?
Экстрасенс ЦРУ предупредил: Ковчег Завета убьет каждого, кто к нему прикоснется....

Похоже, что проблема космического мусора в скором времени будет решена раз и навсегда
Новая технология не только очистит космос, но и поможет спутникам работать втрое дольше....

Почему мы не помним себя младенцами? Новое исследование дало ответы
Возможно, помним, но «ларчик» заперт....

Археологи ликуют: в Испании нашли рисунки, которые старше человечества!
200 000-летняя находка заставит пересмотреть учебники....

iPhone, давай до свидания! Илон Маск презентовал инновационный смартфон PhoneX
Это устройство слишком прекрасно для нашей реальности....

Самые массовые и дикие розыгрыши на 1 апреля в мировой истории
Это вам не просто «вся спина белая»....

Ученые рассказали и показали, как выглядит Антарктида без льда
Высокие горы, глубочайшие каньоны, 58 метров до Апокалипсиса и множество других тайн....

Ученые поражены: мыши, как спасатели, оживляют своих сородичей, попавших в беду
Открытие, от которого дрогнет даже самое черствое сердце....

Кислород устарел! Ученые нашли новый ключ к внеземной жизни
Гицеанические миры могут стать новой надеждой астрофизиков....

На 100 000 лет раньше людей: ученые рассказали, кто устроил первые похороны на планете
Загадочные карлики Homo naledi, чей мозг был размером с апельсин, оказались не глупее нас с вами....

Секретная мутация гена: оказалось, ее имеют все обитатели Марианской впадины
Поразительное открытие китайских ученых может изменить всю теорию эволюции....

10 лет за 48 часов: ИИ полностью переиграл ученых в поисках секрета супербактерий
Однако эксперты предупреждают: нейросети не только ускоряют науку, они запросто могут столкнуть нас в пропасть....

Ученый рассказал, как использовались загадочные артефакты из гробницы Тутанхамона
Это было как в фильме «Мумия»: «Фараон должен воскреснуть!»...