Физики из России научат лазеры "дирижировать" химическими реакциями

Ученые из МФТИ и Дании выяснили, как можно предсказывать поведение сложных молекул при "обстреле" лазером, что позволит управлять их поведением и лучше понимать их структуру. Их выводы были представлены в Journal of Chemical Physics.

"Если подсветить молекулу сильным лазером, произойдет ее ионизация: электрон оторвется от молекулы. При этом он может вернуться назад, двигаясь под действием переменного лазерного поля. Это может привести как к восстановлению, так и к распаду молекулы. По этим процессам можно восстановить картину электронного и ядерного движения в молекуле", - рассказывает Андрей Днестрян из Московского физтеха в Долгопрудном.

Сложные белковые молекулы в наших организмах состоят из нескольких тысяч аминокислот, чьи цепочки часто бывают закручены в сложную форму благодаря взаимодействиям между отдельными "звеньями" этих пептидных цепей. Пока биологи не до конца раскрыли законы, по которым белки принимают определенную форму, и которые позволяют определять форму молекулы по ее формуле.

Поэтому структуру отдельных белков ученым приходится определять "вручную" - или используя компьютерные симуляции, или же замораживая отдельные молекулы белков при помощи жидкого азота и гелия и "просвечивая" их при помощи сверхмощных рентгеновских лазеров.

Когда их лучи проходят рядом с такими молекулами, их электрическое поле заставляет электроны "отрываться" от атомов, повторно соединяться с ними и сталкиваться с другими компонентами молекулы. Все эти взаимодействия порождают вспышки света и меняют характер свечения лазера. Это позволяет узнать структуру вещества с атомной точностью, анализируя при помощи компьютера подобные вспышки света.

Как передает пресс-служба МФТИ, Днестрян и его единомышленники достаточно давно думают над тем, как можно использовать подобные взаимодействия между лазерными лучами и электронами не для "чтения", а "записи" молекул - прямого управления их состоянием и поведением.

Для этого, как отмечает Днестрян, нужно понимать, как свойства лазерного луча влияют на склонность электрона к "побегу" из молекулы, и как часто это происходит в тех или иных условиях.

Сделать это, как оказалось, было не так просто. Существующие сегодня программы, позволяющие проводить расчеты подобного рода на квантовом уровне, не позволяют точно вычислить то, в каком состоянии будет находиться электрон в момент "побега".

Недавно, по словам физика, его команде удалось переформулировать теорию, описывающую этот процесс, так называемую "туннельную ионизацию", таким образом, что вероятность и направление "побега" электрона можно вычислить уже существующими методами.

Это значительно расширило возможности ученых. Теперь они могут просчитывать свойства и потенциально управлять поведением не только одиночных атомов и ионов, но и сложных молекул, состоящих из десятков или даже сотен разнородных элементов.

Для проверки этой методики Днестрян и его коллеги просчитали то, как будут вести себя электроны у атомов в молекулах угарного газа, бензола и нафталина при "обстреле" лазерными лучами. Их расчеты совпали с результатами экспериментальных наблюдений, что подтвердило работоспособность их идеи.

В ближайшее время ученые опубликуют алгоритм, позволяющий вести подобные расчеты. Эта программа, как надеются российские и датские физики, поможет их коллегам быстро просчитывать структуру изучаемых веществ и наблюдать за изменениями в их поведении с рекордно высокой скоростью.