Международный исследовательский коллектив с участием Института нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии Сибирского федерального университета (ИНСпеК СФУ) предложил новый способ определять структуру вещества с помощью рентгеновского излучения. Метод основан на обмене энергией между двумя атомами. Этот способ может стать мощным инструментом для изучения структуры целого ряда сложных молекулярных систем. Результаты исследования, получившего грант Российского научного фонда, опубликованы в Journal of Chemical Physics Letters.
Новый метод основан на явлении переноса энергии между двумя атомами. Их ядра, состоящие из протонов и нейтронов, окружают электроны. Последние расположены на разных энергетических уровнях. "Расстояние" между уровнями равно энергии кванта света, выделяемого (при переходе с верхнего на нижний) или поглощаемого (при переходе с нижнего на верхний) при скачке электрона между уровнями.
Если фотон, испущенный источником рентгеновского излучения, сталкивается с электроном в атоме и передает ему достаточно энергии, электрон может вылететь из атома. Этот процесс называется прямой фотоионизацией.
Новый метод основан на том, что в нем должны участвовать два атома: донор и акцептор. Сначала рентгеновский фотон при "столкновении" передает энергию электрону, расположенному на самом низком уровне атома-донора. Электрон улетает из атома, освобождая свое место, которое занимает другой электрон атома-донора, спрыгивая с более высокого уровня и при этом испуская фотон. Последний поглощается атомом-акцептором, за счет чего вылетает его электрон, расположенный на нижнем уровне.
Положительный заряд ионизованного атома донора изменяет энергию вылета электрона из атома-акцептора. Знание этой величины дает возможность установить тип атома-акцептора и расстояние между атомами. Эта информация позволяет определить всю структуру исследуемого вещества," — рассказывает Фарис Гельмуханов, доктор физико-математических наук, главный автор работы.
В оптическом диапазоне при увеличении расстояния между донором и акцептором скорость переноса энергии, как правило, быстро спадает на очень малых (порядка нескольких нанометров) расстояниях. Таким образом, атомы, расположенные далеко друг от друга, не способны обмениваться энергией. Подобный перенос энергии называется резонансным и является ключевым для обмена энергией в ряде важных систем, например при фотосинтезе.
А в жестком рентгеновском диапазоне, с которым работали ученые при создании нового метода, перенос энергии, как оказалось, возможен на значительно большие расстояния. То есть обмен энергией может происходить не только с ближайшими атомами, но между дальними соседями.
"Нами была разработана новая теоретическая модель переноса энергии, которая описывает химические сдвиги переходов, наблюдаемых в рентгеновском излучении, в зависимости от положения донорных и акцепторных атомов. В рамках этой модели перенос энергии происходит за счет обмена фотонами, который позволяет напрямую из эксперимента определять структуру разнообразных веществ, в том числе биомолекул, содержащих тяжелые атомы-доноры, такие как железо или сера. При этом результаты наших теоретических исследований можно эффективно развить, задействовав лазер на свободных электронах (XFEL)," — поясняет директор ИНСпеК СФУ Сергей Полютов.
Сигнал, вызванный переносом энергии между уровнями в атоме, очень слаб. Однако он может быть значительно усилен в режиме интенсивных и коротких рентгеновских импульсов на базе XFEL. Эта технология дает уникальную возможность не просто описать "застывшую" структуру вещества (это делают при помощи кристаллизации "живой" биологической структуры), но и отследить динамику движения атомов в реальном времени.
По информации https://ria.ru/science/20171025/1507473447.html
Обозрение "Terra & Comp".
