«Квантовая механика описывает, как все это работает», — сказал Пол Хокетт из Национального исследовательского совета Канады. «Но как только вы выйдете за рамки проблемы двух тел, вы не сможете решить уравнения». Итак, физики должны полагаться на компьютерное моделирование и эксперименты.
Теперь он и международная группа исследователей из Канады, Великобритании и Германии разработали новую экспериментальную технику для получения трехмерных изображений молекул в действии. По его словам, этот инструмент может помочь ученым лучше понять квантовую механику, лежащую в основе более крупных и сложных молекул.Новый метод, описанный в The Journal of Chemical Physics от AIP Publishing, сочетает в себе две технологии.
Первая — это камера, разработанная в Оксфордском университете и получившая название камеры Pixel-Imaging Mass Spectrometry (PImMS). Второй — фемтосекундный источник вакуумного ультрафиолетового света, созданный в фемтолабораториях NRC в Оттаве.Масс-спектрометрия — это метод, используемый для идентификации неизвестных соединений и исследования структуры молекул. В большинстве типов масс-спектрометрии молекула разбивается на атомы и более мелкие молекулы, которые затем разделяются по молекулярной массе.
Например, во времяпролетной масс-спектрометрии электрическое поле ускоряет фрагментированную молекулу. Скорость этих осколков зависит от их массы и заряда, поэтому, чтобы взвесить их, вы измеряете, сколько времени им потребуется, чтобы поразить детектор.Однако большинство обычных детекторов изображений не могут точно определить, когда попадает одна конкретная частица.
Чтобы измерить время, исследователи должны использовать методы, которые эффективно действуют как заслонки, пропускающие частицы в течение короткого периода времени. Информация о том, когда заслонка открыта, дает информацию о времени полета.
Но этот метод позволяет измерять частицы только той же массы, соответствующей короткому времени, в течение которого заслонка открыта.С другой стороны, камера PImMS может одновременно измерять частицы разных масс. Каждый пиксель детектора камеры может отсчитывать время, когда в него попадает частица. Эта информация о времени создает трехмерную карту скоростей частиц, предоставляя подробное трехмерное изображение картины фрагментации молекулы.
Чтобы исследовать молекулы, исследователи использовали эту камеру с фемтосекундным вакуумным ультрафиолетовым лазером. Лазерный импульс переводит молекулу в состояние с более высокой энергией, и как только молекула начинает свою квантово-механическую эволюцию — через несколько десятков фемтосекунд — запускается еще один импульс. Молекула поглощает один фотон, в результате чего он распадается. Затем камера PImMS делает трехмерное изображение молекулярного мусора.
Посылая лазерный импульс на возбужденные молекулы в более позднее время, исследователи могут использовать камеру PImMS, чтобы делать снимки молекул на различных стадиях, когда они переходят в состояния с более низкой энергией. Результатом является серия трехмерных изображений изменения состояния молекулы.Исследователи проверили свой подход на молекуле под названием C2F3I. Несмотря на то, что это относительно небольшая молекула, в их экспериментах она разделилась на пять различных продуктов.
Программное обеспечение для данных и анализа доступно в Интернете в рамках открытой научной инициативы, и, хотя результаты являются предварительными, сказал Хокетт, эксперименты демонстрируют силу этого метода.«Это эффективная технология, позволяющая проводить подобные эксперименты», — сказал Хокетт. Чтобы собрать данные, которые потребуются всего несколько часов, при использовании обычных методов потребуется несколько дней, что позволяет проводить эксперименты с более крупными молекулами, которые ранее были невозможны.Тогда исследователи смогут лучше ответить на такие вопросы, как: как квантовая механика работает в более крупных и сложных системах?
Как ведут себя возбужденные молекулы и как они эволюционируют?«Люди пытались понять эти вещи с 1920-х годов», — сказал Хокетт. «Это все еще очень открытое поле для исследований, исследований и дискуссий, потому что молекулы действительно сложны.
Мы должны продолжать попытки понять их».