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
Бомбы с орбиты: почему советская технология, воскрешенная Китаем, встревожила США?
Американцы слишком долго считали свои системы раннего предупреждения лучшими на планете. Теперь......
Битва под Каневом: почему на 350 лет замолчали сокрушительную победу России?
Неудобная победа, предательство и идеология. Мы бы могли вообще не узнать об этом триумфе русского оружия...
С Ноева ковчега сняли запрет: что покажут радары на Арарате?
История, которую больше всего высмеивали ученые, неожиданно становится все более реальной...
Дикий народ чучуна: Кто наводил ужас на коренное население Сибири?
Йети? Люди-изгои? Древнее племя? Пока что вопросов больше, чем ответов...
Почему их ДНК не меняется уже 42 000 лет: определен самый древний народ на планете
Три раза предки жителей Океании встречались с исчезнувшими видами людей, и это в корне изменило их гены...
Мрачный прогноз для США из 1995 года сбылся: в чем великий ученый Саган оказался прав?
Исследователь говорил: все плохо, но еще не все потеряно. Его советы могут реально помочь всему человечеству...
Тайна «косого глаза» Венеры раскрыта: что увидела нейросеть на картинах Боттичелли?
Художник нарисовал пять портретов прекрасной Симонетты Веспуччи. И каждое полотно еще больше подтверждает страшный диагноз...
Новая вселенная внутри звезды: почему Эйнштейн мог ошибаться насчет черных дыр
Больше 20 лет эта гипотеза в буквальном смысле раздирает мир науки. Но, возможно, именно она выведет ученых из тупика сингулярности...
Снегопады в Антарктиде становятся все аномальнее: и ученые, наконец-то, знают почему?
Ученым придется пересмотреть все климатические модели Шестого континента. Кстати, снега там будет выпадать с каждым годом все больше...
Прорыв в астрономии: найти жизнь в космосе будет гораздо проще
Ученых не пугает даже погрешность в 20%. Зато будут просканированы тысячи планет...
Тайный Еще одна тайна майя: археологи секрет алтаря в заброшенном городе
Выяснилось, что индейцы долгие столетия продолжали исповедовать, казалось бы, давно забытый древний культ...
Марс под вопросом: что может обнулить иммунитет у космонавтов?
И почему защита организма перестает видеть микробы, выжившие в космосе?...
43 — проклятый возраст Рюриковичей: почему многие князья не переживали этот роковой рубеж?
Генетики говорят: русская династия слишком поздно поняла, что попала в ловушку «чистой» крови...
Доказана жизнь на спутнике Юпитера: как же бактериям удалось добраться с Земли на Европу?
За 3,5 миллиарда лет земные бактерии могли долететь до 105 звездных систем. Так что у Европы есть все шансы на «заражение»...
Сначала Стоунхендж был... не каменным: найден прототип легендарного святилища
Доисторическая религия оказалась старше на 500 лет, чем считали ученые. И она играла огромную роль в жизни древних людей...
Бельгийскую разведку снова взломали: хакеры целый год качали оттуда секретные данные
Эксперты говорят: проникновение было замечено совершенно случайно. И это пугает...