Химические реакции — самые важные события во вселенной. Именно из-за химических реакций растения растут, животные размножаются, лечат, переваривают и думают. Фотосинтез, горение, ржавчина, приготовление пищи, аэробное и анаэробное дыхание — все это примеры химических реакций.
Наблюдение за реакциями на фундаментальном уровне может помочь ученым понять свойства вещества, как образцы взаимодействуют с другим веществом и как работает мир природы. Например, новая молекулярная связь может позволить производство новых материалов и более эффективную энергию.
Недавно исследователи из Гарвардского университета разработали новое оборудование для проведения химических реакций при самых низких температурах практически всех существующих технологий. Они смогли сформировать самую холодную связь, которую когда-либо видел мир, заставив реагировать две ультрахолодные молекулы.
Реакция протекала при температуре 500 нанокельвина (-273.1499995 °c). При таких сверхвысоких температурах молекулы имеют тенденцию замедляться почти до полной остановки. По мнению исследователей, они достигли своего рода эффекта узкого места.
Химические реакции происходят в пикосекунду, одну триллионную секунды. Чтобы поставить это в контекст, пикосекунда составляет одну секунду, как одна секунда — 31 689 лет.
На протяжении последних двух десятилетий ученые использовали сверхбыстрые лазеры для захвата изображений реакций по мере их возникновения. Тем не менее они не смогли увидеть полную картину.
Обычно мы видим, что реагенты исчезают, а продукты появляются в очень короткие, но измеримые сроки. До сих пор не было прямых измерений того, что именно произошло между ними.
Исследователи сделали то, что они заставили химические реакции достигнуть относительно низкой скорости, уменьшив температуру реагирующих молекул почти до абсолютного нуля. Они заставили две молекулы калия-рубидия (KRb) встретиться и реагировать при температуре 500 нанокельвинов.
Из-за ультрахолодных температур эти молекулы задерживаются в промежуточном состоянии в течение нескольких микросекунд, что достаточно для изучения реакции.
Они использовали комбинацию масс-спектрометрии и визуализации скоростной карты для наблюдения за реагентами, промежуточными продуктами и продуктами реакции. Это первый раз, когда химическая реакция была захвачена в своем наиболее критическом и неуловимом акте.
Помимо наблюдения энергоемкого промежуточного комплекса, исследование открывает множество возможностей для детального изучения роли квантовой механики в ультрахолодном режиме путем измерения времени жизни промежуточного комплекса, тестирования перехода от квантовых к квазиклассическим реакциям и разрешения квантовых состояний продуктов реакции.
Источник:
