Как ученые научились «замораживать» время? Новый источник света раскрывает секреты влияния ультрафиолета на молекулы

Взаимодействие ультрафиолетового (УФ) излучения с молекулами играет ключевую роль в многочисленных фотохимических и фотобиологических процессах, протекающих как в атмосфере Земли, так и в живых организмах. Понимание механизмов этих взаимодействий критически важно для решения целого ряда научных и прикладных задач, от разработки новых методов защиты от солнечной радиации до создания эффективных фотокатализаторов.

Однако до недавнего времени исследователи сталкивались с серьезным ограничением: отсутствием инструментов, позволяющих наблюдать за сверхбыстрыми процессами, происходящими на временной шкале фемтосекунд (1 фемтосекунда = 10⁻¹⁵ секунды) после поглощения молекулой УФ-фотона. Именно в этом ультракоротком интервале происходит перераспределение энергии внутри молекулы, определяющее ее дальнейшую судьбу: будет ли она стабильна, распадется на фрагменты или вступит в химическую реакцию с другими молекулами.

Недавно группа ученых из Центра науки о лазерах на свободных электронах и Гамбургского университета представила инновационный источник света, генерирующий ультракороткие импульсы УФ-излучения, длительностью всего несколько фемтосекунд. Этот технологический прорыв открывает беспрецедентные возможности для изучения динамики молекулярных процессов с временным разрешением, ранее недостижимым.

В своей работе, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи продемонстрировали возможности нового метода на примере молекулы йодметана (CH₃I), которая широко используется в качестве модельной системы в ультрафиолетовой спектроскопии.

Эксперимент заключался в следующем: молекула йодметана облучалась первым, инициирующим, УФ-импульсом, который переводил ее в возбужденное электронное состояние. Затем, с контролируемой задержкой во времени, на молекулу воздействовал второй, контролирующий, импульс. Меняя временной интервал между импульсами, ученые смогли проследить за эволюцией молекулы в реальном времени и выявить ключевые стадии фотохимических преобразований.

Оказалось, что в течение первых пяти фемтосекунд после возбуждения существует узкое временное окно, в которое второй импульс может предотвратить диссоциацию, то есть распад, молекулы йодметана. Если же второй импульс приходит позже, диссоциация становится неизбежной. Это свидетельствует о том, что первичные процессы, определяющие фотохимическую стабильность молекулы, протекают чрезвычайно быстро, на временной шкале всего нескольких фемтосекунд. Полученные экспериментальные данные согласуются с теоретическими моделями, описывающими динамику электронов и ядер в молекуле после поглощения УФ-фотона.

Разработанный метод аттосекундной спектроскопии открывает новые перспективы для исследования широкого спектра фотохимических и фотобиологических явлений. Возможность контролировать реакции на молекулярном уровне с помощью сверхкоротких световых импульсов может привести к созданию новых технологий в области фотохимии, фотокатализа, фотобиологии и материаловедения. В частности, это может помочь разработать более эффективные методы защиты биологических молекул, таких как ДНК, от повреждающего действия УФ-излучения.