Невидимое стало явным. Ученые впервые получили изображения электронов в момент разрыва химических связей

Если бы химические реакции можно было смотреть как замедленное видео, многое в учебниках пришлось бы переписать. Обычно мы видим только «до» и «после», а самый важный момент, когда связи рвутся и рождаются, остается скрытым. Проблема в том, что именно там решают все электроны, а они движутся настолько быстро, что долгое время считались практически недоступными для прямого наблюдения.

Команда исследователей из Шанхайского университета Цзяо Тун сообщила о заметном прорыве: им удалось в реальном времени «сфотографировать» в пространстве и движение электронов, и движение атомных ядер во время распада молекулы. Для этого ученые использовали продвинутую версию ультрабыстрой электронной дифракции, которая раньше уверенно отслеживала в основном тяжелые ядра, но плохо различала тонкие изменения электронной плотности.

В качестве модели они выбрали аммиак (NH₃): молекула простая, но с богатой электронной «жизнью». Сначала аммиак возбуждали коротким лазерным импульсом в ультрафиолете с длиной волны около 200 нанометров. Этот «пусковой» импульс переводил электрон из орбитали неподеленной пары на атоме азота на разрыхляющую, то есть антисвязывающую орбиталь, связанную со связью азот-водород. Такой скачок сразу меняет геометрию молекулы: она начинает «раскрываться» как зонтик, и один атом водорода уходит от азота, по сути запускается разрыв связи N-H.

Дальше начиналась самая тонкая часть эксперимента. Следом за лазерным импульсом по возбужденным молекулам били сверхкоротким пакетом высокоэнергетических электронов с энергией в диапазоне МэВ. Пролетая мимо, эти электроны рассеиваются на электрических полях, которые создают и атомные ядра, и облако электронов вокруг них. На детекторе получается дифракционная картина, в которой зашифровано, где именно в молекуле в каждый момент времени сосредоточены заряды.

Ключевым оказалось то, как команда «расшифровала» этот сигнал. Авторы применили метод charge pair distribution function (CPDF), который позволяет одновременно выделять вклад разных типов корреляций: между ядрами, между ядром и электронами, а также между самими электронами. Благодаря этому удалось параллельно увидеть, как перестраиваются валентные электроны и как движется водород. Последнее особенно сложно, потому что водород очень слабо рассеивает электроны и при этом двигается чрезвычайно быстро, поэтому его динамика часто «теряется» в шуме.

По сути, исследователи получили картину того, как меняются орбитали и электронная плотность, а затем как на это отвечают атомы в процессе фотораспада аммиака. Это важный шаг для химии и физики: методы вроде электронной дифракции начинают показывать не только «перемещение шариков-атомов», но и ту самую электронную перестройку, которая управляет реакциями.

При этом ограничения остаются: электронные сигналы очень тонкие и их легко заглушает рассеяние на более тяжелых атомах. Следующая цель команды, как они отмечают, расширить подход на другие молекулы и попробовать увидеть перестройку валентных электронов уже в более сложных органических системах, где «электронный сценарий» реакции еще интереснее, но и заметить его труднее.