Химики впервые проследили за ходом самой медленной химической реакции

Эти эксперименты крайне важны для исследователей по той причине, что благодаря сверхнизким температурам и низкой скорости взаимодействия атомов химики впервые смогли проследить за формированием промежуточных продуктов реакции этих веществ и проверить при их помощи те выводы, которые были получены десятилетия назад при помощи квантовой механики и теоретической химии.

«Обычно, когда мы проводим химические реакции, мы видим следующее — у нас есть некие исходные вещества, которые мгновенно исчезают, а их место занимают продукты реакции. До проведения наших опытов мы просто не могли проследить за тем, что происходит во время этих взаимодействий между атомами», — рассказала Канкуэн Ни, химик из Гарвардского университета и один из авторов работы.

Химические реакции протекают очень быстро. Взаимодействия между самыми простыми молекулами длятся несколько фемтосекунд, квадриллионных долей секунды. За это время атомы исходных реагентов успевают провзаимодействовать друг с другом и занять новые позиции. Электроны в этих атомах успевают поменять свои позиции еще быстрее, за десятки или сотни аттосекунд, тысячных долей фемтосекунды.

Долгое время химики считали, что подобные процессы человечество никогда не сможет изучить. Однако это стало возможным после того, как появились сверхбыстрые лазеры и ускорители частиц, которые могут производить сверхкороткие вспышки рентгеновского и гамма-излучения длиной в несколько фемтосекунд. Опыты на подобных установках помогли физикам и химикам проверить и уточнить некоторые предсказания квантовой механики и теоретической химии.

Тем не менее, с помощью всех этих экспериментов ученые все равно не могли проследить за тем, как именно сближаются молекулы, что происходит с ними непосредственно перед реакцией и как они меняют свою форму в ходе взаимодействий между атомами. Гарвардские химики почти случайно решили эту проблему, изучая различные «невозможные» молекулы, которые не существуют в природе.

Химический «черный ящик»

Ни с коллегами уже много лет специализируется на создании и изучении различных соединений, которые остаются стабильными при сверхнизких температурах, но не существуют в комнатных условиях. Такие вещества обладают рядом уникальных черт, которые позволят им стать основой для квантовых компьютеров и других приборов, которые работают с одиночными атомами и молекулами.

Недавно Ни и ее коллеги создали новую ловушку для подобных «невозможных» молекул. Она позволяет охладить их до рекордно низкой температуры, всего 500 нанокельвинов, что на 0,0000005 градуса выше абсолютного нуля. Проверяя ее работоспособность, ученые проводили серию экспериментов с облачками атомов двух щелочных металлов, рубидия и калия.

Обстреливая их вспышками инфракрасного света, химики получили экзотические молекулы, которые состоят из одного атома рубидия и калия. В этом случае, в отличие от прошлых опытов, они не только собрали такие «невозможные» структуры, но и проследили за процессом их формирования. Сделать это ученым помогло то, что рекордно низкая температура резко замедлила ход реакций между атомами щелочных металлов. В данном случае они длились в миллиарды раз дольше.

Собрав несколько подобных структур, гарвардские исследователи проверили, что произойдет, если столкнуть их между собой, проверяя предсказания квантовой химии. Основанные на ее базе расчеты показывают, что в результате столкновения этих молекул сначала должна сформироваться конструкция из четырех атомов, а затем она в ходе многоступенчатого процесса должна распасться на чистый калий и рубидий.

Эти опыты подтвердили, что теория действительно правильно предсказывала ход этой реакции. Обстреливая сталкивающиеся молекулы при помощи вспышек ультрафиолетового лазера, ученые смогли зафиксировать появление молекулы из четырех атомов рубидия и калия и проследить за ее последующим разложением.

Дальнейшие опыты такого рода, как надеются исследователи, помогут физикам и химикам проверить основные постулаты химии и физики, описывающие различные типы реакций, а также понять, какую роль играют квантовые эффекты во взаимодействиях между молекулами и атомами.