Физики приблизились к управлению химическими реакциями

Физики приблизились к управлению химическими реакциями
Физики приблизились к управлению химическими реакциями
Физики приблизились к управлению химическими реакциями
Фото: open-dubna.ru

Группа исследователей из МФТИ и Орхусского университета (Дания) разработала алгоритм на основе созданной ими ранее теории, для предсказания влияния внешнего электромагнитного поля на состояние сложных молекул, а конкретно для расчёта скорости их туннельной ионизации. Туннельная ионизация молекулы  — это процесс высвобождения электрона через потенциальный барьер, который удерживает его в молекуле.

Этот шаг подводит учёных к возможности заглядывать внутрь больших многоатомных молекул, наблюдать электронное движение в них и в перспективе управлять им. Работа опубликована в журнале The Journal of Chemical Physics.

Применяя современные технологии, физики могут восстанавливать электронную структуру молекулы. Для этого используется излучение мощных лазеров. Учёные определяют структуру молекулы, анализируя спектры переизлучения и продукты взаимодействия молекулы с электромагнитным полем лазерного излучения. Этими продуктами являются фотоны, электроны и ионы, которые образуются после ионизации или диссоциации (разрушения) молекулы. В  предыдущих работах, в которых принимали участие учёные МФТИ из группы Олега Толстихина, было показано, что изучение взаимодействия молекул с сильным электромагнитным полем лазера приводит не только к пониманию электронной структуры молекулы, но и к возможности управления движением электронов в ней с аттосекундным временным разрешением. Аттосекунда  — это миллиардная часть миллиардной доли секунды. За это время свет лазера проходит расстояние менее десятитысячной доли микрометра, что соответствует размерам небольшой молекулы.

«Если поместить молекулу в поле сильного лазерного излучения, произойдет её ионизация: электрон оторвётся от молекулы. Двигаясь под действием переменного лазерного поля, электрон может в какой-то момент вернуться к родительскому молекулярному иону. Результатом их взаимодействия может стать перерассеяние, рекомбинация электрона, или диссоциация молекулы. По этим процессам возможно восстановить картину электронного и ядерного движения в молекуле, что представляет огромный интерес в современной физике»,  — говорит Андрей Днестрян, член группы теоретической аттосекундной физики в МФТИ.

Сегодняшний интерес к туннельной ионизации объясняется её ролью в экспериментах по наблюдению электронного и ядерного движения в молекулах с аттосекундным временным разрешением. Так, туннельная ионизация  — первый шаг к отслеживанию перемещения электронов и «дырок» вдоль молекулы. В  перспективе это позволит управлять их движением, что поможет контролировать исходы химических реакций и откроет новые возможности в молекулярной биологии, медицине и других областях промышленности. Для успешного извлечения динамики в этих экспериментах, необходимы точные и надёжные расчёты скоростей туннельной ионизации.

Скорость туннельной ионизации можно интерпретировать как вероятность вылета электрона из молекулы в определённом направлении. Эта вероятность зависит от того, как ориентирована молекула по отношению к внешнему электромагнитному полю. Существующие на сегодняшний день теории связывают скорость туннельной ионизации с поведением электронов вдалеке от ядер атомов, составляющих молекулу. Но современные программы квантово-механических расчётов и квантово-вычислительной химии не дают правильного предсказания состояния электронов в этой удалённой области.

«Недавно нам удалось переформулировать асимптотическую теорию туннельной ионизации так, чтобы скорость туннельной ионизации определялась только поведением электронов вблизи ядер. А  это поведение может быть рассчитано достаточно точно существующими методами. Существующие раньше подходы позволяли делать расчёты скоростей туннельной ионизации только для маленьких молекул с небольшим количеством атомов, теперь же это можно делать и для значительно более крупных. Чтобы это продемонстрировать, мы привели в своей работе расчёты для молекул бензола и нафталина»,  — рассказывает Андрей Днестрян.

Рисунок  1. Ориентация молекулы нафталина по отношению ко внешнему электрическому полю может быть описана двумя углами β и γ следующим образом. Электрическое поле F направлено вдоль оси z′, угол между молекулярной осью z и осью z′ образует угол β. Угол γ поворота вокруг оси z определяет произвольную конечную ориентацию молекулы по отношению к полю F. Такие углы называются углами Эйлера. На рисунке также показаны две внешние (а и b) орбитали молекулы нафталина  — области локализации двух внешних электронов молекулы, которые в присутствии сильного электрического поля ионизуются в первую очередь. Рисунок предоставлен авторами исследования

Авторы работы рассчитали скорости туннельной ионизации для нескольких молекул в зависимости от их ориентации относительно внешнего поля. Они разработали программу, которая выполняет эти вычисления, и планируют сделать её общедоступной. Это позволит экспериментаторам быстро получать по наблюдаемым спектрам структуру исследуемых больших молекул с аттосекундным временным разрешением.

 

Рисунок  2. Зависимость рассчитанных структурных факторов двух внешних (НОМО и НОМО-1, англ. highest occupied molecular orbital) орбиталей молекулы нафталина от углов Эйлера β и γ с рисунка  1. Цветом показана шкала величин модуля структурного фактора  — от красного в минимуме до жёлтого и фиолетового в максимуме. Квадрат модуля структурного фактора определяет скорость туннельной ионизации (из данной орбитали) в направлении, противоположном полю, поскольку электрон имеет отрицательный заряд. Рисунок предоставлен авторами исследования

«Эта работа превращает развитую нами в 2011 году асимптотическую теорию туннельной ионизации в мощный метод расчёта скоростей ионизации произвольных многоатомных молекул. Это необходимо для решения широкого круга задач физики сильного лазерного поля и аттосекундной физики»,  — говорит руководитель группы теоретической аттосекундной физики МФТИ Олег Толстихин.

Источник

  Автор: Татьяна Небольсина

Ещё новости о событии:

Группа исследователей из МФТИ и Орхусского университета (Дания) разработала алгоритм на основе созданной ими ранее теории, для предсказания влияния внешнего электромагнитного поля на состояние сложных молекул,
15:24 04.12.2018 МФТИ - Долгопрудный
Физики приблизились к управлению химическими реакциями - OpenDubna.Ru
Группа исследователей из МФТИ и Орхусского университета (Дания) разработала алгоритм на основе созданной ими ранее теории, для предсказания влияния внешнего электромагнитного поля на состояние сложных молекул,
03:52 04.12.2018 OpenDubna.Ru - Дубна
 
По теме
Выставка «TransRussia 2024». - Институт непрерывного образования Выставка «TransRussia 2024». 🎓Преподаватели ДИНО Анохина Н.М. и Баринова Е.В.
Институт непрерывного образования
Сотрудники МЧС России и "Мособлпожспас" приняли участие в профилактическом мероприятии в культурно досуговом центре «Тимоново» - ГУ МЧС МО В культурно досуговом центре «Тимоново» прошло профилактическое мероприятие по безопасности детей с воспитанниками младших классов Тимоновской средней общеобразовательной школы.
ГУ МЧС МО
Волшебное слово "Театр" - ЦБС г. Подольска Наряду с литературой, театральное искусство является одним из важнейших средств эстетического воспитания ребёнка.
ЦБС г. Подольска
Памятка обеспечения пожарной безопасности - Павлово-Посадский район В связи с наступлением пожароопасного периода просим Вас уделить особое внимание соблюдению правил противопожарного режима, утвержденных Постановлением Правительства РФ от 16.09.2020 № 1479 (ред.
Павлово-Посадский район
Работают прекрасные специалисты - Газета Встреча Отделению детской хирургии Дубненской больницы исполнилось 3 года. Оно было открыто в марте 2021 года в условиях нового хирургического центра Дубненской больницы.
Газета Встреча
В Московскую областную детскую клиническую травматолого-ортопедическую больницу (МОДКТОБ) бригадой скорой помощи был доставлен 5-летний мальчик с сильными болями в области бедра.
MosRegToday.Ru
Рузские медики — бойцам СВО - РузаРИА Сотрудники Рузской больницы продолжают отправлять гуманитарную помощь в зону проведения специальной военной операции.
РузаРИА
ПЕВЕЦ МАЛОЙ РОДИНЫ - Газета Видновские Вести Любители поэзии хорошо знают, что певец природы Подмосковья Евгений Зубов, которого часто называют Есениным Видновского края, родился 26 марта 1942 года, жил в дер.
Газета Видновские Вести