Исследователи поймали протоны в процессе диссоциации с помощью сверхбыстрой камеры SLAC

Исследователи использовали дифракцию сверхбыстрых электронов (UED) для регистрации движения атомов водорода внутри молекул аммиака. Ранее были предположения, что можно отслеживать атомы водорода с помощью дифракции электронов, но до сих пор никому не удалось провести этот эксперимент успешно.

Эксперимент использует силу высокоэнергетических мегаэлектронвольт (МэВ) электронов для изучения атомов водорода и переноса протона, при котором единственный протон, составляющий ядро ​​атома водорода, перемещается от одной молекулы к другой.

Перенос протонов запускает бесчисленные реакции в биологии и химии — например, ферменты, которые помогают катализировать биохимические реакции, и протонные насосы, которые необходимы для митохондрий, электростанций клеток, — поэтому было бы полезно точно знать, как его структура развивается во время этих реакций.

Но перенос протонов происходит очень быстро — в течение нескольких фемтосекунд, одной миллионной миллиардной секунды. Их очень сложно поймать в действии.

Одна из возможностей — обстрелять молекулу рентгеновскими лучами, а затем использовать рассеянные рентгеновские лучи, чтобы узнать о структуре молекулы по мере ее развития. Увы, рентгеновские лучи взаимодействуют только с электронами, а не с атомными ядрами, поэтому это не самый чувствительный метод.

Чтобы получить ответы, ученые задействовали MeV-UED, сверхбыструю камеру для дифракции электронов SLAC. Они использовали газообразный аммиак, у которого три атома водорода присоединены к атому азота. Команда воздействовала на аммиак ультрафиолетовым светом, диссоциируя или разорвав одну из связей водород-азот, затем пропустила через нее луч электронов и захватила дифрагированные электроны.

Они не только уловили сигналы водорода, отделяющегося от ядра азота, но и уловили связанное с этим изменение в структуре молекулы. Более того, рассеянные электроны разлетались под разными углами, что позволило уловить два сигнала.

«Иметь в одном эксперименте что-то, чувствительное к электронам, и что-то, что чувствительно к ядрам, чрезвычайно полезно», — сказал Томас Вольф, автор работы. «Если мы сможем увидеть, что происходит первым, когда атом диссоциирует — ядра или электроны делают первый шаг к разделению, — мы сможем ответить на вопросы о том, как происходят реакции диссоциации».

Обладая этой информацией, ученые смогут приблизиться к неуловимому механизму переноса протонов, который поможет ответить на множество вопросов химии и биологии.

Знание того, что делают протоны, может иметь важные последствия в структурной биологии, где традиционные методы, такие как рентгеновская кристаллография и криоэлектронная микроскопия, с трудом «видят» протоны.

В будущем научная группа проведет тот же эксперимент, используя рентгеновские лучи на рентгеновском лазере SLAC, источнике когерентного света Linac (LCLS), чтобы увидеть, насколько различаются результаты.

Они также надеются увеличить интенсивность электронного луча и улучшить временное разрешение эксперимента, чтобы они могли фактически увидеть отдельные этапы диссоциации протонов с течением времени.

Статья с результатами была опубликована в журнале Physical Review Letters.