Що відбувається з електронами в шкірі під дією сонячного світла?

Вченим вперше вдалося розглянути, як поводяться електрони в органічних молекулах на самому початку хімічної реакції під дією сонячних променів. Багато років процес руйнування хімічних зв'язків у речовині не могли безпосередньо спостерігати через рухи атомних ядер. Нове обладнання дозволило, нарешті, обійти цю проблему і зняти справжнє молекулярне «кіно».

Хімічні реакції, що лежать в основі фотосинтезу, зору, засвоєння організмом вітаміну D та інших процесів, протікають під дією сонячного світла. Енергія випромінювання передається електронам в атомах органічних молекул, з яких складаються біологічні тканини. Електрони, отримавши порцію енергії, переходять у так звані збуджені стани, в яких потім знаходяться деякий час.

Коли електрони отримують додаткову «силу», то не можуть «всидіти на місці» і перерозподіляються в просторі, як діти на уроці фізкультури після розминки носяться по спортзалу з лицями, що розфарбувалися, і заспокоюються до середини наступного уроку. Від положення електронів після збудження залежить руйнування старих і утворення нових хімічних зв'язків - те, що в шкільному зошиті ми називали хімічною реакцією.

Як саме електрони розташовуються в атомах речовини до старту реакції відомо теоретично. Рух електронів після впливу на речовину сонячного світла багато разів було побічно зафіксовано в експериментах. Але побачити, що відбувається з ними відразу після «розминки» вченим поки не вдавалося.

Інструменти, які були доступні дослідникам раніше, не дозволяли зловити потрібний момент. Шкільний вчитель, що входить до кабінету, де секунду тому шуміли п'ятикласники, бачить лише наслідки їх пустощів на дошці. Так і вчені спостерігали лише рух атомних ядер на старті хімічної реакції. Був потрібен швидкий і чутливий інструмент.

Дослідники з Університету Брауна, Університету Единбурга та Національної прискорювальної лабораторії SLAC Міністерства енергетики США у своїх експериментах використовували саме такий інструмент. Підготовка до досвіду тривала близько 20 років, а ось сама зйомка молекулярного «кіно» зайняла всього лише 200 фемтосекунд - одну мільйонну від однієї мільярдної частки секунди. За цей час рентгенівські промені пролетіли через нагріту сонячним світлом речовину і відхилилися залежно від положення електронів. Атомні ядра не встигли «розворушитися» за короткий «дубль» і не зробили внесок у розподіл рентгенівських променів на детекторі.

«Акторам» - органічним кільцевим молекулам, що беруть участь у виробленні вітаміну D в шкірі, надали максимально комфортні умови. Молекули вільно переміщалися в газовому середовищі, де їм належало розсипатися на частини під дією сонячного світла. «Короткометражка» показала вченим, що електронні оболонки перед стартом реакції роздуваються. Хмари електронів в атомах деформувалися в більш великі і більш дифузні, відповідні збудженому електронному стану.

Вдалий експеримент увійшов до числа 75 найбільш важливих наукових досягнень лабораторії Міністерства енергетики. У це число входять такі події як розшифровка ДНК і виявлення невагомих нейтрино. Дослідження опубліковано в журналі Nature Communications.