Учените разкриха скритата химия на замърсяването на въздуха

Свръхбързата електронна визуализация за първи път разкри индуцирани от светлината ядрени движения във въглеводородни молекули. Взаимодействието на въглеводородните молекули със светлината може да окаже влияние върху образуването на азотиста киселина в атмосферата — съединение, което играе значителна роля в замърсяването на въздуха. В това проучване учените изследват как предаването на протони улеснява тези индуцирани от светлината молекулярни процеси.

Наблюдение на свръхбързо предаване на протони

Вътрешномолекулярно предаване на протоните възниква, когато протон се движи от една част на молекулата в друга в рамките на същата молекула. За да наблюдава тези мимолетни движения, екипът използва ултра-бърза електронна камера, способна да улови молекулярните промени в мащаб повече от 10 000 пъти по-малък от ширината на човешки косъм.

Това високопрецизно пространствено изображение, съчетано с усъвършенствани компютърни модели, разкрива, че събитието за предаване на протон е придружено от усукващо движение извън равнината — и двата процеса са ключови за пътя на отпускане на молекулата.

Разбиране на молекулното отпускане

Отпускането — това е процесът, при който една молекула преминава от възбудено състояние с висока енергия в състояние с по-ниска енергия след поглъщане на светлина.

Предишни проучвания предполагаха различни механизми за това как въглеводородните молекули се отпускат след взаимодействие със светлина, но на учените липсваха експериментални доказателства, за да потвърдят кой процес се случва. Това проучване идентифицира важен път на релаксация, включващ трансфер на протони и молекулярно „усукване“. Това откритие поставя началото на по-нататъшно изследване на по-сложни молекули, за които учените смятат, че изпитват подобни взаимодействия. Това също ще помогне за по-доброто разбиране на механизмите на образуване на замърсяването.

Наблюдение на молекулярната динамика в реално време

Взаимодействието на светлината с нитроароматните въглеводороди е от немалко значение за химичните процеси в атмосферата, които могат да доведат до образуване на смог и замърсяване. Въпреки това, промените във формата на молекулите, дължащи се на взаимодействието със светлината, са изключително трудни за измерване, тъй като се случват в мащаби, по-малки от една десета милиардна част от метъра, и продължават само милионна част от секундата.

Инструментът за релативистична ултрабърза електронна дифракция (UED) в линейния кохерентен светлинен източник (LCLS) в Националната ускорителна лаборатория SLAC осигурява необходимата времева и пространствена разделителна способност за наблюдение на тези изключително малки и бързи движения. LCLS е изследователски център на Министерството на енергетиката на САЩ.

В това проучване изследователите са използвали UED, за да наблюдават отпускането на фотовъзбудения о-нитрофенол. След това са използвали генетичен алгоритъм, наречен структурно съвпадение, за да получат новите прозрения за малките промени в молекулната форма, които са останали невидими в предишните проучвания.

По-специално, експериментът регистрира ключови процеси в отпускането на о-нитрофенола: предаване на протона и депланаризация (т.е. въртене на част от молекулата извън нейната равнина). Моделирането по метода ab-initio потвърди получените експериментални резултати.

Тези открития предоставят нови прозрения относно механизмите за отпускане, които са следствие от преноса на протони, и отварят пътя за по-нататъшни изследвания на преноса на протони в по-сложни молекулярни системи.