Облучение аммиака, который состоит из одного азота и трех атомов водорода, ультрафиолетовым светом приводит к диссоциации одного водорода от аммиака. Исследователи SLAC использовали сверхбыструю «электронную камеру», чтобы точно наблюдать, что делает водород во время диссоциации. Техника была предложена, но ее эффективность до сих пор так и не была доказана. В будущем исследователи смогут использовать эту технику для изучения переноса водорода — критических химических реакций, которые управляют многими биологическими процессами.
Фото: Нанна Х. Лист/Королевский технологический институт KTH.

Перенос протонов запускает бесчисленные реакции в биологии и химии — например, ферменты, которые помогают катализировать биохимические реакции, и протонные насосы, которые необходимы для митохондрий, электростанций клеток, — поэтому было бы полезно точно знать, как его структура развивается во время этих реакций. Но перенос протонов происходит очень быстро — в течение нескольких фемтосекунд, одной миллионной одной миллиардной секунды. Их сложно поймать в действии.

Одна из возможностей — обстрелять молекулу рентгеновскими лучами, а затем использовать рассеянные рентгеновские лучи, чтобы узнать о структуре молекулы по мере ее развития. Увы, рентгеновские лучи взаимодействуют только с электронами, а не с атомными ядрами, поэтому это не самый чувствительный метод.

Чтобы получить ответы, которые они искали, команда под руководством ученого SLAC Томаса Вольфа задействовала MeV-UED, сверхбыструю камеру для дифракции электронов SLAC . Они использовали газообразный аммиак, у которого три атома водорода присоединены к атому азота . Команда поразила аммиак ультрафиолетовым светом , диссоциируя или разорвав одну из связей водород-азот, затем пропустила через нее луч электронов и захватила дифрагированные электроны.

Они не только уловили сигналы водорода, отделяющегося от ядра азота, но и уловили связанное с этим изменение в структуре молекулы. Более того, рассеянные электроны разлетались под разными углами, чтобы разделить два сигнала.

«Иметь в одном эксперименте что-то, чувствительное к электронам, и что-то, что чувствительно к ядрам, чрезвычайно полезно», — сказал Вольф. «Если мы сможем увидеть, что происходит первым, когда атом диссоциирует — ядра или электроны делают первый шаг к разделению, — мы сможем ответить на вопросы о том, как происходят реакции диссоциации».

Обладая этой информацией, ученые смогут приблизиться к неуловимому механизму переноса протонов, который поможет ответить на множество вопросов химии и биологии. Знание того, что делают протоны, может иметь важные последствия в структурной биологии, где традиционные методы, такие как рентгеновская кристаллография и криоэлектронная микроскопия, с трудом «видят» протоны.

В будущем группа проведет тот же эксперимент, используя рентгеновские лучи на рентгеновском лазере SLAC, источнике когерентного света Linac (LCLS), чтобы увидеть, насколько различаются результаты. Они также надеются увеличить интенсивность электронного луча и улучшить временное разрешение эксперимента, чтобы они могли фактически разрешить отдельные этапы диссоциации протонов с течением времени.