Физики приблизились к управлению химическими реакциями

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

 

Добавить комментарий

Комментарии не должны оскорблять автора текста и других комментаторов. Содержание комментария должно быть конкретным, написанным в вежливой форме и относящимся исключительно к комментируемому тексту.


Защитный код
Обновить

Срочные новости

Во сколько запрещено шуметь в Подмосковь…

Уважаемые жители и гости города! Сотрудники службы участковых уполномоченных полиции информируют вас...

В ОМВД России по г.о. Дубна состоялась т…

В актовом зале Отдела министерства внутренних дел России по г.о. Дубна состоялась торжественная цере...

Ученые разработали уникальную экологичну…

Ученые из Московского физико-технического института и Объединенного института высоких температур РАН...

Рыбаков-браконьеров предупреждают загодя

Правительство РФ постановлением №1321 от 03.11.2018 г. утвердило новые таксы для исчисления ущерба, ...

Сотрудники Подмосковной Росгвардии расск…

Сотрудники Дубненского отдела вневедомственной охраны Росгвардии по Московской области провели для у...

Реклама

Объявления

Новости бизнеса

"Тензор" изготовит системы защиты для АЭ…

Приборный завод "ТЕНЗОР" выбран госкорпорацией "Росатом" исп...

Крупнейшие зарубежные нефтегазовые компании готовы…

В ОЭЗ «Дубна» прошло заседание Совета главных конструкторо...

ОЭЗ "Дубна" уже не первая в России

...А вторая по степени инвестиционной привлекательности ос...

9 резидентов ОЭЗ «Дубна» реализуют проекты с учас…

Радио- и микроэлектроника, биомедицина, станкостроение – и...

ОЭЗ «Дубна» рассмотрит возможность членства в WFZO

16 ноября начальник отдела по взаимодействию с резидентами...

Мы в соц сетях

VK
ОК
FB
G+

 

Блоги

Подпишитесь на новые события нашего сайта:Подписаться