Отсутствующая вспышка света раскрыла молекулярный секрет в жидкостях

Исследователи из Университета штата Огайо и Университета штата Луизиана впервые использовали метод высокогармонической спектроскопии (HHS) для изучения ультрабыстрых молекулярных взаимодействий в жидкостях. Работа, опубликованная в PNAS, открывает новые возможности для исследования химических и биологических процессов.

Художественное представление генерации высоких гармоник в жидком растворе метанола и фторбензола. Предоставлено: профессор Кеннет Лопата, LSU.

Метод HHS использует сверхкороткие лазерные импульсы для временного «отрыва» электронов от молекул. Когда электроны возвращаются, они излучают свет, несущий информацию об их движении с аттосекундным разрешением (аттосекунда — миллиардная доля миллиардной доли секунды). До сих пор эта техника применялась в основном для газов и твёрдых тел, так как жидкости сильно поглощают излучение и их молекулы находятся в постоянном движении.

Чтобы преодолеть эти препятствия, команда создала ультратонкую жидкую «плёнку», которая позволяет большему количеству излучаемого света выйти. Учёные исследовали смеси метанола с небольшим количеством галогенбензолов (фтор-, хлор-, бром- или иодбензол).

Результат для фторбензола оказался неожиданным. «Мы были очень удивлены, увидев, что раствор фторбензола с метанолом дал совершенно другие результаты», — сказал профессор физики OSU Лу ДиМауро. Смесь излучала меньше света, чем каждый из компонентов по отдельности, а одна из гармоник полностью подавлялась.

Моделирование показало причину. «Мы обнаружили, что смесь фторбензола с метанолом subtly отличается от других. Электроотрицательность атома F способствует «молекулярному рукопожатию» (или водородной связи) с O-H-концом метанола», — пояснил профессор химии Джон Герберт. Эта организованная структура сольватации создаёт дополнительный барьер для рассеяния электронов, что и объясняет подавление гармоники.

«Мы были рады объединить результаты эксперимента и теории, охватывающие физику, химию и оптику, чтобы узнать что-то новое об электронной динамике в сложной жидкой среде». Метте Гаарде, профессор физики LSU

Это открытие важно, поскольку многие ключевые химические и биологические процессы, включая возможные механизмы радиационного повреждения, происходят в жидких средах. Метод HHS может обеспечить беспрецедентно детальное понимание этих процессов.

Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США и Национальным научным фондом.