Femtosekundowy film z atomami w roli głównej. To może zmienić leki i ogniwa słoneczne

Reakcje chemiczne potrafią trwać pikosekundy, czyli bilionowe części sekundy. Dotąd naukowcy widzieli tylko ich efekt końcowy. Teraz, dzięki jednemu z najpotężniejszych laserów rentgenowskich na świecie, udało się je po raz pierwszy śledzić atom po atomie – w rozdzielczości czasowej rzędu femtosekund. Wynik opublikowano w prestiżowym „Journal of the American Chemical Society”. Co to oznacza w praktyce? To nie jest tylko akademicka ciekawostka – ta technika może przyspieszyć prace nad lepszymi lekami, tańszymi ogniwami słonecznymi i bardziej wydajnymi katalizatorami.

Jak sfilmować reakcję, która trwa bilionową część sekundy?

→ Czytaj też: Liście szpinaku w kroplach do oczu. Nowa nadzieja dla półtora miliarda chorych

Eksperyment przeprowadzono w ośrodku European XFEL w Hamburgu. Zastosowano metodę czasowo-rozdzielczej rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronowej (tr-XPS). W uproszczeniu: naukowcy wystrzeliwują w cząsteczkę ultrakrótkie impulsy rentgenowskie, które wybijają elektrony z wewnętrznych powłok atomów. Analizując ich energię, można odtworzyć, co działo się w danym atomie w momencie impulsu.

Kluczem jest szybkość. Impulsy są tak krótkie, że każdy stanowi jakby pojedynczą klatkę filmu. Złożenie setek lub tysięcy takich klatek daje pełen obraz przebiegu reakcji – od początku do końca.

Dlaczego atom fluoru i atom azotu opowiadają różne historie?

→ Czytaj też: Szpinak w oku myszy. Naukowcy przeszczepili roślinną maszynerię fotosyntezy do komórek ssaków

Obiektem badań była niewielka cząsteczka organiczna: 3-fluoropirydyna. Zawiera ona dwa atomy – fluor i azot – które pełniły rolę punktów obserwacyjnych. Po wzbudzeniu impulsem ultrafioletowym cząsteczka zmieniała kształt, a elektrony przeskakiwały na wyższe poziomy energetyczne.

Najciekawsze odkrycie: poszczególne atomy „opowiadają” różne fragmenty tej samej historii. Sygnały z atomu fluoru bardzo wyraźnie odzwierciedlały drgania cząsteczki. Atom azotu natomiast dostarczał informacji zarówno o zmianach rozkładu ładunku elektrycznego, jak i o przekształceniach strukturalnych.

Wniosek jest praktyczny: obserwacja tylko jednego atomu nie wystarczy, by zrozumieć cały proces. Dopiero analiza wielu miejsc jednocześnie daje pełny obraz. To jak oglądanie meczu tylko z jednej kamery – tracisz większość tego, co się dzieje na boisku.

Gdzie to trafi najszybciej? Leki, ogniwa słoneczne, fotosynteza

Naukowcy podkreślają, że podobną strategię będzie można wykorzystać do analizowania bardziej złożonych układów. Wymieniają trzy konkretne obszary:

• Ogniwa słoneczne – lepsze zrozumienie transportu energii w materiałach fotowoltaicznych może przełożyć się na wyższą wydajność paneli i niższe koszty produkcji energii.
• Fotosynteza – poznanie, jak energia przemieszcza się wewnątrz cząsteczek po pochłonięciu światła, pomoże projektować sztuczne układy naśladujące naturę.
• Leki i kataliza – nowe katalizatory i skuteczniejsze leki wymagają dokładnego zrozumienia reakcji chemicznych na poziomie atomowym. Ta metoda daje takie możliwości.

Co ważne, to samo wzbudzenie światłem może zwiększać czułość niektórych atomów na ruch ich sąsiadów. Innymi słowy, konkretne atomy stają się wyjątkowo dobrymi czujnikami – rejestrują zmiany zachodzące w całej cząsteczce.

Co dalej? Od femtosekund do praktyki

W ostatnich latach naukowcom udało się już zarejestrować ruch atomów podczas katalizy chemicznej z wykorzystaniem zaawansowanej mikroskopii elektronowej. Najnowsza praca idzie jednak o krok dalej: pozwala jednocześnie śledzić przemieszczanie się elektronów i zmiany struktury cząsteczki w skali czasowej femtosekund i pikosekund.

Dla czytelnika, który nie jest chemikiem, najważniejsze jest to, że ta technika skraca dystans między tym, co naukowcy widzą w laboratorium, a tym, co można zaprojektować i zbudować w praktyce. Szybsze i tańsze ogniwa słoneczne, nowe generacje leków działających precyzyjnie tam, gdzie trzeba, i materiały katalizujące reakcje bez zbędnych strat energii – to nie jest odległa przyszłość. To perspektywa najbliższych lat, a ta publikacja pokazuje drogę, jak tam dotrzeć.