Нове дослідження демонструє, що надшвидкі електронні процеси в рідинах можна безпосередньо спостерігати, відкриваючи приховану мікроструктуру розчинів.
Рідини є динамічними системами, де молекули постійно перебудовуються. На відміну від твердих тіл, вони не мають фіксованої структури. Тому їх складно досліджувати на рівні електронів. Найшвидші взаємодії залишалися практично невидимими.
Команда з Університету штату Огайо та Університету штату Луїзіана застосувала «високогармонічну спектроскопію» — метод нелінійної оптики. Він використовує надкороткі лазерні імпульси для відстеження руху електронів. Події фіксуються в «атосекундному масштабі», тобто за 10??? секунди. Це значно перевищує можливості традиційної спектроскопії.
Раніше цей метод застосовували лише для газів і твердих тіл. Рідини поглинають світло та створюють зашумлений сигнал. Щоб подолати це, дослідники створили надтонкий рідкий «лист». Це вперше дозволило виявити локальні структурні зміни в рідинах.
В експерименті вивчали суміші метанолу з галогенбензолами. Молекули відрізнялися лише одним атомом — фтором, хлором, бромом або йодом. Очікувалося, що спектр буде простою сумою сигналів. Однак суміш із фторбензолом дала аномальний результат.
«Ми були дуже здивовані, побачивши зовсім інші результати», — зазначає Лу ДіМауро. Одна гармоніка зникла повністю. Це вказувало на «деструктивну інтерференцію», тобто взаємне гасіння електронних хвиль. Такий ефект свідчив про специфічну молекулярну взаємодію.
Моделювання показало, що фторобензол утворює «молекулярне рукостискання», тобто водневий зв’язок із метанолом. «Електронегативність атома F створює додатковий бар’єр для електронів», — пояснює Джон Герберт. Це порушує генерацію гармонік. Теорія, заснована на «часозалежному рівнянні Шредінгера», підтвердила експеримент.
«Деталі пригнічення гармонік містять інформацію про локальну структуру», — додає Сучаріта Гірі. Отже, сигнал несе дані про сольватацію. Метод стає чутливим до мікросередовища рідини.
Ці результати важливі для хімії та біології. Багато процесів у клітинах відбуваються саме в рідкому середовищі. Енергії електронів подібні до тих, що спричиняють радіаційні ушкодження. «Ми з нетерпінням чекаємо на майбутнє цієї галузі», — підсумовує ДіМауро.