На квантовом уровне атомы в молекулах не находятся на одном месте всегда. Ученые смогли отследить их сдвиг и показать, как динамически меняется пространственная конфигурация муравьиной кислоты.
В учебниках химии молекулы часто изображают жесткими структурами из сфер — атомов и стержней — связей между ними. Муравьиная кислота (CH2O2, HCOOH), широко используемая многими живыми организмами, на таких рисунках выглядит плоской.
Но на самом деле такие молекулы не двумерные. Объем им придают квантовые эффекты. Международная команда ученых под руководством профессора Райнхарда Дёрнера (Reinhard Dörner) определила точную пространственную структуру молекулы муравьиной кислоты и описала механизм, придающий кислоте «динамическую хиральность». Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Для тщательного исследования молекулы физики использовали рентгеновское излучение синхротрона PETRA III в ускорительном центре DESY в Гамбурге (Германия).
Чтобы добиться максимально точного определения расположения частей молекулы, ученые измеряли два процесса, происходящих при облучении вещества рентгеновским пучком. Рентген выбивает из муравьиной кислоты электроны по механизму фотоэффекта и оже-эффекта и атомы оказываются заряжены так сильно, что молекула распадается кулоновским взрывом на отдельные атомы. Оба процесса протекают в течение фемтосекунд, но ученые успели измерить их последовательно и раздельно. Для этого потребовался реакционный микроскоп COLTRIMS.
На основе полученных данных ученые рассчитали исходную геометрию молекулы муравьиной кислоты. Оказалось, что два атома водорода в муравьиной кислоте слегка колеблются, а это означает, что молекула не плоская.
«В квантовом мире атомные ядра — не крошечные сферы, застывшие на месте. Они больше похожи на вибрирующие облака. Даже если мы охладим молекулу до абсолютного нуля, это дрожание — так называемые нулевые колебания — никогда не прекращается», — сказал профессор Дернер.
Такое дрожание означает, что атомные ядра не имеют точного расположения, существует лишь вероятность обнаружить их в конкретном месте. Получается, что молекула муравьиной кислоты объемна практически в каждый момент времени.
Из-за появления третьего измерения молекула перестает быть симметричной и становится хиральной, левой или правой, как человеческие руки. Мы не можем повернуть правую руку так, чтобы она идеально повторяла левую, левые и правые молекулы организованы так же, хоть и состоят из одинаковых атомов. Левые и правые формы веществ могут значительно отличаться по свойствам. Например, у болеутоляющего ибупрофена есть лечащая форма, а есть вообще не обладающая действием на организм. Обычно эта зеркальность возникает из-за фиксированной структуры молекулы.
Новое исследование показывает, что геометрия молекул не статична. Муравьиная кислота на доли секунды становится левой или правой из-за происходящего на квантовом уровне. Плоская конфигурация молекулы — усреднение ее состояний, а не строгое отражение реальности. Форма молекулы оказалась динамической, как и хиральность. Этот вывод может помочь физикам и химикам в изучении свойств молекул и порядков протекания химических реакций.
Автор: Евгения Вавилова