Учёные впервые отследили движение отдельных атомов во время химической реакции

Дииодметан, облученный инфракрасным светом, может участвовать в нескольких различных реакциях. Интенсивные рентгеновские импульсы European XFEL и реакционный микроскоп прибора SQS использовались для характеристики трех основных путей реакции. Автор: Тобиас Вюстефельд, European XFEL

Исследователи из European XFEL в Германии впервые в реальном времени отследили движение отдельных атомов во время химической реакции в газовой фазе. Используя сверхкороткие рентгеновские вспышки, они смогли наблюдать образование молекулы йода (I₂) после облучения молекул дииодметана (CH₂I₂) инфракрасным светом — процесс, включающий разрыв двух связей и образование новой.

Одновременно учёные смогли отличить эту реакцию от двух других путей: отделения одного атома йода от дииодметана или возбуждения изгибных колебаний в связанной молекуле. Результаты, опубликованные в Nature Communications, дают новое понимание фундаментальных механизмов реакций, которые до сих пор было крайне сложно различить экспериментально.

Так называемые реакции элиминирования, в которых из крупной молекулы образуются более мелкие, играют ключевую роль во многих химических процессах — от атмосферной химии до исследований катализаторов. Однако детальные механизмы многих реакций, где атомы разрывают и образуют новые связи, часто остаются загадкой. Причина — эти процессы происходят за фемтосекунды (миллионные доли миллиардной доли секунды).

В новом исследовании на приборе SQS в European XFEL использовали инновационный подход для визуализации такой динамики. Учёные облучали молекулы дииодметана ультракороткими инфракрасными лазерными импульсами, что запускало реакции. Через фемтосекунды интенсивные рентгеновские вспышки разрушали молекулы, заставляя их атомные компоненты разлетаться в «кулоновском взрыве».

Схема эксперимента и распределение импульсов ионов от рентгеновской ионизации лазерно-возбуждённых молекул CH₂I₂.

«С помощью этого метода мы смогли точно отследить, как атомы йода соединяются, в то время как метиленовая группа отщепляется», — объясняет Артём Руденко из Университета штата Канзас (США), руководитель эксперимента. Анализ показал, что в образовании молекулы йода участвуют как синхронные, так и асинхронные механизмы — результат, подтверждённый теоретическими расчётами.

«Хотя этот путь реакции составляет лишь около 10% продуктов, мы смогли чётко отличить его от других конкурирующих реакций», — объясняет Ребекка Болл из European XFEL.

Кроме того, исследователи смогли отследить колебательное движение вновь образованной молекулы йода. «Теперь мы можем напрямую наблюдать, как изолированная молекула разрывает и образует связи во время химической реакции — в реальном времени и с атомарной точностью», — говорит Сян Ли, первый автор публикации из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США).

Это ключевой шаг к истинному пониманию химических процессов. Такие наблюдения не только дают детальную картину механизмов реакций, но и открывают новые пути для исследования более сложных химических процессов.

В будущем эти методы планируют расширить для изучения более крупных молекул и сложных реакций. Благодаря запланированным техническим улучшениям рентгеновского лазера European XFEL, учёные смогут получать ещё более быстрые и детальные данные об ультрабыстрой молекулярной динамике.

Дополнительная информация: Xiang Li et al, Imaging a light-induced molecular elimination reaction with an X-ray free-electron laser, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62274-z

Источник: European XFEL