
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

Планшет, пролежавший в Темзе пять лет, помог раскрыть серию запутанных преступлений
Эксперты говорят: даже вода не смогла стереть цифровые следы....

«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....

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....

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

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....

Астрофизики рассказали, почему Вселенная замедляется вопреки предсказаниям Эйнштейна
Если открытие DESI и ослабление темной энергии подтвердится, учебники придется переписать....

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

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....

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

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....