Контроль химических реакций при температурах, близких к абсолютному нулю, представляет собой ключевую задачу молекулярной физики. В этих экстремальных условиях скорости реакций между ионами и молекулами проявляют сильную зависимость от вращательных состояний реагентов, что открывает уникальные возможности для управления химическими процессами на квантовом уровне.
Исследователи из ETH Zürich, включая Валентину Желязкову, Фернанду Б. В. Мартинс и Фредерика Меркта, предложили новый подход к управлению такими реакциями. Их метод, детально описанный в публикации в Physical Review Letters, использует микроволны – электромагнитное излучение с частотами в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц – для целенаправленного манипулирования популяциями вращательных состояний молекул.
Валентина Желязкова поясняет контекст: «За последние 10 лет был разработан метод для изучения реакций ион-молекула при очень низких температурах, ниже 10 К». Такие условия характерны для гигантских молекулярных облаков в межзвездной среде, где подобные реакции играют важную роль. Эксперименты подтвердили, что химические превращения происходят даже вблизи абсолютного нуля температуры, и, что критически важно, их реакционная способность «сильно зависит от степени вращения молекул».
Целью недавнего исследования группы стало использование этой зависимости для активного управления реакциями. Ученые стремились вызвать подавление (ингибирование) реакции путем изменения вращательного состояния молекул с помощью коротких импульсов микроволнового излучения. Фредерик Меркт уточняет, что объектом изучения стали «реакции при низких температурах между положительно заряженными атомами и молекулами», реакционная способность которых «зависит от квантового состояния молекулы».
Экспериментальная методика включала первоначальное охлаждение молекул до их основного вращательного состояния. Было установлено, что в этом состоянии молекулы являются более реакционноспособными по сравнению с первым возбужденным вращательным состоянием. Затем, применяя точно настроенный микроволновый импульс, исследователи добавляли молекулам один квант вращения, переводя их в первое возбужденное вращательное состояние, которое характеризуется значительно меньшей реакционной способностью.
«Мы отслеживали реакционную способность, наблюдая количество продуктов, образующихся в единицу времени,» – говорит Фернанда Б. В. Мартинс. Результаты были однозначными: «Мы увидели снижение [образования продуктов/реакционной способности], когда включался микроволновый импульс». Это наблюдение напрямую подтвердило возможность управления ходом реакции через изменение вращательного состояния молекул.
Ключевым результатом работы стала успешная демонстрация контроля над холодными ион-молекулярными реакциями с использованием микроволнового излучения. Подтверждено фундаментальное положение, что разные вращательные уровни одной и той же молекулы могут реагировать с существенно разными скоростями. Желязкова подчеркивает: «Реакционную способность можно изменять, возбуждая молекулу из ее основного вращательного состояния в первое возбужденное вращательное состояние с помощью коротких импульсов микроволнового излучения».
Особая значимость работы заключается в демонстрации возможности замедлять химическую реакцию с помощью микроволн через нетепловой механизм, как отмечает Желязкова. Это принципиально отличает данный подход от большинства применений микроволн в химическом синтезе, где они используются для термического нагрева реагентов, что практически всегда приводит к ускорению реакций. В данном случае показан именно нетепловой, ингибирующий эффект, основанный на квантово-механических свойствах молекул.
Данное исследование открывает новые перспективы для точного управления и глубокого изучения низкотемпературных ион-молекулярных реакций, предлагая ценный новый инструмент для исследователей в области химической физики и астрохимии. Группа из ETH Zürich уже планирует дальнейшее развитие и усовершенствование своего метода.
Фредерик Меркт описывает одно из направлений будущих исследований: «Подготовить молекулы в выбранных нереакционноспособных квантовых состояниях» и затем использовать «короткие микроволновые импульсы» не для подавления, а наоборот, в качестве «триггера реакционной способности». Это позволит «включать» химическую реакцию по требованию, что открывает еще более широкие возможности для манипулирования химическими процессами на молекулярном уровне.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследователи из ETH Zürich, включая Валентину Желязкову, Фернанду Б. В. Мартинс и Фредерика Меркта, предложили новый подход к управлению такими реакциями. Их метод, детально описанный в публикации в Physical Review Letters, использует микроволны – электромагнитное излучение с частотами в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц – для целенаправленного манипулирования популяциями вращательных состояний молекул.
Валентина Желязкова поясняет контекст: «За последние 10 лет был разработан метод для изучения реакций ион-молекула при очень низких температурах, ниже 10 К». Такие условия характерны для гигантских молекулярных облаков в межзвездной среде, где подобные реакции играют важную роль. Эксперименты подтвердили, что химические превращения происходят даже вблизи абсолютного нуля температуры, и, что критически важно, их реакционная способность «сильно зависит от степени вращения молекул».
Целью недавнего исследования группы стало использование этой зависимости для активного управления реакциями. Ученые стремились вызвать подавление (ингибирование) реакции путем изменения вращательного состояния молекул с помощью коротких импульсов микроволнового излучения. Фредерик Меркт уточняет, что объектом изучения стали «реакции при низких температурах между положительно заряженными атомами и молекулами», реакционная способность которых «зависит от квантового состояния молекулы».
Экспериментальная методика включала первоначальное охлаждение молекул до их основного вращательного состояния. Было установлено, что в этом состоянии молекулы являются более реакционноспособными по сравнению с первым возбужденным вращательным состоянием. Затем, применяя точно настроенный микроволновый импульс, исследователи добавляли молекулам один квант вращения, переводя их в первое возбужденное вращательное состояние, которое характеризуется значительно меньшей реакционной способностью.
«Мы отслеживали реакционную способность, наблюдая количество продуктов, образующихся в единицу времени,» – говорит Фернанда Б. В. Мартинс. Результаты были однозначными: «Мы увидели снижение [образования продуктов/реакционной способности], когда включался микроволновый импульс». Это наблюдение напрямую подтвердило возможность управления ходом реакции через изменение вращательного состояния молекул.
Ключевым результатом работы стала успешная демонстрация контроля над холодными ион-молекулярными реакциями с использованием микроволнового излучения. Подтверждено фундаментальное положение, что разные вращательные уровни одной и той же молекулы могут реагировать с существенно разными скоростями. Желязкова подчеркивает: «Реакционную способность можно изменять, возбуждая молекулу из ее основного вращательного состояния в первое возбужденное вращательное состояние с помощью коротких импульсов микроволнового излучения».
Особая значимость работы заключается в демонстрации возможности замедлять химическую реакцию с помощью микроволн через нетепловой механизм, как отмечает Желязкова. Это принципиально отличает данный подход от большинства применений микроволн в химическом синтезе, где они используются для термического нагрева реагентов, что практически всегда приводит к ускорению реакций. В данном случае показан именно нетепловой, ингибирующий эффект, основанный на квантово-механических свойствах молекул.
Данное исследование открывает новые перспективы для точного управления и глубокого изучения низкотемпературных ион-молекулярных реакций, предлагая ценный новый инструмент для исследователей в области химической физики и астрохимии. Группа из ETH Zürich уже планирует дальнейшее развитие и усовершенствование своего метода.
Фредерик Меркт описывает одно из направлений будущих исследований: «Подготовить молекулы в выбранных нереакционноспособных квантовых состояниях» и затем использовать «короткие микроволновые импульсы» не для подавления, а наоборот, в качестве «триггера реакционной способности». Это позволит «включать» химическую реакцию по требованию, что открывает еще более широкие возможности для манипулирования химическими процессами на молекулярном уровне.
