Углеводороды играют важную роль в органической химии, горении и катализе. Селективный разрыв C-H-связей может дополнительно способствовать синтезу новых молекулярных частиц с новыми функциями и применениями в медицине.
До сих пор не существовало метода селективного разрыва связей C-H в симметричных углеводородах. Проф.
Али Алназер (Американский университет Шарджи, ОАЭ), который провел свой творческий отпуск в отделении проф. Ференц Краус из Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в рамках сотрудничества между MPQ, Университетом короля Сауда (KSU) и Мюнхенским университетом Людвига-Максимилиана (LMU), а также группой физиков под руководством проф. Маттиас Клинг (LMU) использовал ультракороткие лазерные импульсы для решения этой проблемы. Важным ингредиентом успешных экспериментов было использование лазерной системы с высокой частотой повторения с десятью тысячами импульсов в секунду в группе проф.
Ульфа Кляйнеберга (LMU), благодаря чему время измерения может быть сокращено по сравнению с существующими системами. Механистическое понимание того, как лазерный свет взаимодействует с молекулами, обеспечивается теоретической моделью, разработанной в группе проф. Регина де Виви-Ридле (LMU).
Для своих экспериментальных исследований исследователи использовали ацетилен (C2H2): в этой молекуле два атома углерода прочно связаны тремя электронными парами, а атомы водорода симметрично завершают линейную молекулу на обоих концах.
Ученые подвергли сверхзвуковую струю молекул C2H2 в так называемом реакционном микроскопе ультракоротким лазерным импульсам длительностью всего 4 фс (1 фс = 10-15 секунд). Эти импульсы, генерируемые в Лаборатории аттосекундной физики проф. Ференца Крауса (MPQ, LMU), имеют инфракрасные длины волн и состоят всего из нескольких циклов.
Форма световых волн точно измерялась для каждого лазерного выстрела, взаимодействующего с молекулами. "В результате взаимодействия со световой волной молекула после двойной ионизации фрагментируется на положительно заряженный ион C2H + и протон, которые обнаруживаются с помощью реакционного микроскопа.,"говорит проф. Али Альнасер.
Поскольку ацетилен является симметричной молекулой, связи C-H с обеих сторон молекулы обычно разрываются с равной вероятностью. Однако в своем эксперименте ученые обнаружили, что форма волны лазера позволяет увеличить вероятность того, что левая связь разрывается по сравнению с правой, и наоборот.
Квантовое динамическое моделирование показывает природу взаимодействия лазера с молекулой. «Уже известная схема, в которой молекулярные реакции контролируются динамикой электронов, подготовленной с помощью формы светового сигнала через лазерно-индуцированную связь электронных состояний, в этом случае не работает. Мы открыли новый способ квантового управления.,"Проф. де Виви-Ридль объясняет. Согласно ее новой модели, лазерный импульс с несколькими периодами первоначально возбуждает подмножество колебаний молекулы, которые являются лазерно-активными.
Одно из этих колебаний — это антисимметричный режим растяжения, при котором одна связь CH удлинена, а другая укорачивается. Когда лазерный импульс достигает своего пикового электрического поля, он удаляет электрон из тройной связи CC-группы (молекула ионизируется). Этим процессом дополнительно заселяются неактивные в лазере колебательные моды. Среди этих режимов — симметричная мода растяжения CH, в которой оба атома H движутся синхронно к группе CC или от нее.
В оставшейся части лазерного импульса освобожденный электрон ускоряется обратно на молекулярный катион, удаляет второй электрон и создает ацетиленовый дикатион, который быстро диссоциирует на протон и ион C2H +, которые наблюдаются в эксперименте.
«Самостоятельного возбуждения колебаний молекулы недостаточно для объяснения экспериментальных результатов. Обязательным условием наблюдаемого контроля является квантовый эффект: суперпозиция симметричной и антисимметричной мод растяжения.
Как следствие этой интерференции может возникнуть ситуация, когда только одна связь CH колеблется, а другая остается замороженной.,"объясняет профессор де Виви-Ридле. "Этот тип встряхивания молекулы приводит к разрыву определенной связи CH. Форма волны лазера управляет направлением, в котором колебательный волновой пакет, возникающий в результате суперпозиции колебательных мод, движется после того, как он создается на ацетиленовой катушке.,"добавляет проф. Маттиас Клинг.
Исследователи рассматривают результаты своих исследований как доказательство принципа нового квантового механизма управления. «Механизм управления формой лазерного излучения очень общий, и мы предполагаем, что он может быть применен к другим, более сложным молекулярным процессам.,"говорит проф. Али Алназер, желающий продолжить исследования в этом направлении.
Он добавляет: «В то время как в нашем исследовании мы возбуждали колебания нерезонансным образом, более высокая степень контроля может быть достигнута с помощью резонансного возбуждения с использованием ультракоротких лазерных импульсов в средней инфракрасной области. Такие лазерные системы в настоящее время разрабатываются и открывают путь к использованию всего потенциала новой схемы управления."