Фізики розірвали фуллерен рентгенівським лазером

Фізики вперше детально вивчили в динаміці руйнування фуллерену C₆₀ під дією надкоротких імпульсів рентгенівського випромінювання. Виявилося, що обурення призводить до утворення значної іонізації молекули, але її розрив відбувається через помітну кількість часу, а серед осколків спостерігається безліч нейтральних атомів вуглецю. Результати важливі для інтерпретації більшості методів визначення структур молекул за допомогою рентгенівських променів, пишуть автори в журналі.

У багатьох галузях науки, наприклад в біохімії, потрібно знання структури складних молекул, як правило органічних, з якої можна визначити точну функцію речовини. Для найбільш розробленого методу вивчення, рентгеноструктурного аналізу, необхідно синтезувати твердий кристал речовини, висвітлити його рентгенівським випромінюванням і проаналізувати отриману дифракційну картину. Кристалізація багатьох речовин, однак, залишається важким завданням, тому вчені намагаються розробити нові підходи.

У роботі фізиків з США, Європи та Японії під керівництвом Нори Берра (Nora Berrah) з Університету штату Коннектикут були детально вивчені можливості методу визначення структур молекул на основі їх руйнування лазерними імпульсами. Як мішень вчені вибрали фуллерен C₆₀ - одну з найпростіших молекул із замкнутою тривимірною структурою. Зв'язки між атомами в ньому формуються в правильні п'яти- і шестикутники - приблизно як на класичному футбольному м'ячі Adidas Telstar. C₆₀, з одного боку, досить простий (симетричний і складається з одного типу атомів), а з іншого, сильно нагадує органічні сполуки, у яких зв'язки між атомами вуглецю утворюють основу структури.

Вчені комбінували експерименти з чисельним моделюванням взаємодії. Авторам вдалося спостерігати процес розпаду молекули з тимчасовою роздільною здатністю близько 10 фемтосекунд. Процес запускали імпульсом рентгенівського лазера тривалістю близько 20 фемтосекунд, отриманим на установці LCLS (Linac Coherent Light Source) в Національній прискорювальній лабораторії SLAC в США.

Виявилося, що імпульс вибиває електрон приблизно у кожного п'ятого атома, проте це не призводить до миттєвого вибуху фуллерена: руйнувався він повільніше, ніж очікували дослідники. Розпад починався через кілька десятків фемтосекунд, а весь процес займав близько 600 фемтосекунд, що менше трильйонної частки секунди, але значно більше тривалості імпульсу і може бути впевнено виміряно з використанням сучасного обладнання.

"Те, що відбувається, не можна назвати справжнім вибухом. Замість цього фуллерен розпадається відносно повільно, - говорить один з керівників коллетиву Роберт Сантра (Robin Santra) з німецького інституту DESY. - Атоми вуглецю поступово випаровуються, причому нейтральних атомів виходить набагато більше, ніж заряджених, що дуже дивно. Зазвичай з молекули вилітає близько 25 нейтральних і всього 15 заряджених атомів, а інші формують групи по кілька штук ".

Результати роботи стануть у нагоді при аналізі інших пов'язаних з рентгенівським випромінюванням методів дослідження молекул. Зокрема, кристали білків часто випаровуються під дією спалаху енергетичних електромагнітних хвиль, а детальне розуміння динаміки цього процесу допоможе обґрунтувати висновки рентгеноструктурного аналізу.

Раніше вчені змогли розгледіти мікрокристали з усіх боків за допомогою електронного томографа, визначили структуру біомолекул за допомогою дифракції на неякісних кристалах і виростили рекордно великий лист «білого графена».