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
Таинственная «дверь» обнаружена в Антарктиде
Теория заговора против официальной науки: кто окажется прав?...
15 000 американских городов станут призраками в ближайшие десятилетия
Ученые уверены, что «там просто некому будет жить»....
Не по вкусу: комары пьют кровь не у всех подряд
Полезно понимать для защиты от опасных насекомых....
НЛО управляют армией беспилотников, которые следят за военными базами США
Загадочные дроны буквально терроризируют американских военных летчиков....
Странный случай: укус змеи подействовал на австралийца спустя 15 часов
Только 10% укушенных на самом деле получают дозу яда....
Собаки поднялись на новую ступень эволюции
Третья стадия одомашнивания — что это значит?...
20 млн жителей США могут остаться без воды
Великие озера поразила небывалая засуха....
Первые оседлые люди в Европе: в Сербии обнаружили дом возрастом 8000 лет
Обгорелое жилище перевернуло представления о ранних поселенцах....
Вспененный гель быстро останавливает кровотечение и снижает риск заражения
Учёные изобрели спасающую жизнь «повязку»....
Кошки могут понимать многие слова
Но для экспериментов голос хозяина произносил бессмыслицу....
Google срочно переходит на атомную энергию
АЭС опасны, но у Америки просто нет выхода....
Первая частная космическая станция появится на орбите в 2025 году
Комплекс, созданный с учетом проблем астронавтов, потянул на миллиард долларов....
Американские ученые отрицают ускорение глобального потепления
Формально, так и есть, но это ещё не всё....
Окаменелости в Индии рассказали о самом раннем случае разделки слонов людьми
Это произошло не менее 300 тысяч лет назад....
Детекторы ИИ ложно обвинили студентов в плагиате
Ничто не ново на всё 100%....
Режиссер фильма «Я, робот» утверждает, что Илон Маск крадет его идеи
Смех смехом, но новые проекты Маска удивительно похожи на кадры из фильма....