Последняя нобелевская премия века

В октябре Шведская королевская академия наук объявила лауреата Нобелевской премии по химии 1999 года, которым стал Ахмед Зевайл (Ahmed H. Zewail) – профессор Калифорнийского технологического института (Пасадена, США).

Премия присуждена "за изучение переходных состояний химических реакций с помощью фемтосекундной спектроскопии", то есть "за то, что была показана возможность наблюдения с помощью быстрой лазерной спектроскопии за движением атомов в молекуле во время химической реакции".

Как указано в пресс-релизе Нобелевского комитета, "лауреат 1999 года в области химии был награжден за свою пионерскую работу по исследованию фундаментальных химических реакций с помощью ультра-коротких лазерных импульсов во временном интервале, при котором они действительно происходят. Профессор Зевайл внес революционный вклад в химию и смежные с ней науки, поскольку подобные исследования позволяют нам понять и предсказать важные реакции".

Размер премии составляет 7 9000 000 шведских крон.

Ахмед Зевайл родился в 1946 году в Египте, где окончил Александрийский университет. Свое обучение он продолжил в США, в Пенсильваньском университете, где в 1974 году ему была присвоена ученая степень PhD. Затем он работал в лаборатории Беркли Калифорнийского университета и в Cаltech?. В настоящее время он является профессором лаборатории химической физики им. Артура Амоса Нойеса в Калифорнийском технологическом институте.

Его адрес: California Institute of Technology, Arthur Amos Noyes Laboratory of Chemical Physics, Mail Code 127-72, Pasadena, California 91125, USA, Phone: (626) 395-6536, (626) 792-8456, E-mail: zewail@cco.caltech.edu

Подобно тому, как телезрители хотят в деталях рассмотреть попадание мяча в ворота во время футбольного матча, химики желают в мельчайших подробностях отслеживать протекание химической реакции. Именно эта жажда рассматривать "замедленное движение" атомов и молекул способствовала быстрому развитию новой технологии, которая позволила наблюдать, что в действительности происходит, когда рвутся одни химические связи и создаются новые.

Метод А. Зевайла может быть описан как самая быстрая в мире видеокамера. Длительность используемых им лазерных импульсов – фемтосекунды (одна фемтосекунда – 10^-15 сек), которая действительно отвечает времени, за которое происходят реакции. Эта новая область физической химии получила название фемтохимии.

Фемтохимия помогает отвечать на вопросы, почему данная химическая реакция протекает, а другие - нет. Она также объясняет, почему скорость и полнота той ли иной реакции зависят от температуры. Сегодня ученые всего мира с помощью фемтосекундной спектроскопии изучают процессы в газах, жидкостях и твердых телах, на поверхностях и в полимерах. Область ее применения простирается от конструирования катализаторов и молекулярных электронных компонент до изучения тонких механизмов процессов в живых организмах и создания медицины будущего.

Как все хорошо знают, химические реакции очень сильно различаются по скоростям. Общим для большинства реакций является возрастание их скорости с температурой, то есть по мере того, как движение молекул становиться интенсивнее. Именно поэтому уже долгое время считается, что для того, чтобы молекула могла вступить в реакцию, для начала она должна быть активирована, чтобы перескочить через энергетический барьер. Когда две молекулы сталкиваются, обычно ничего не происходит - они просто отскакивают друг от друга. Однако если температура достаточно высока, столкновение может быть столь сильным, что они взаимодействуют друг с другом с образованием новой молекулы. Как только молекуле сообщается достаточно сильное "температурное возбуждение", она немедленно вступает в реакцию, после чего старая химическая связь рвется и образуется новая. И в случае очень медленных реакций, и в случае быстрых происходит одно и тоже. Разница только в том, что в случае медленных реакций "температурное возбуждение" происходит более редко, чем в случае быстрых.

Энергетический барьер определяется силами, удерживающими атомы в молекуле (химическими связями). Однако до недавнего времени мало кто знал о путях, которые проходят молекулы, преодолевая его, и на что они в действительности похожи, когда находятся на самой его вершине барьера, то есть в "переходном состоянии".

С. Аррениус (Нобелевский лауреат в области химии 1903 года) предложил ровно сто лет назад простое уравнение зависимости скорости реакции от температуры. Однако оно описывает поведение многих молекул (макросистемы) и относительно большие времена.

В 30-е годы Х. Эйринг и М. Полани сформулировали теорию, базировавшуюся на реакциях в микроскопических системах отдельных молекул. Их теоретическое предположение состояло в том, что переходное состояние преодолевается очень быстро, за время, отвечающее молекулярным колебаниям. О возможности проводить эксперименты при столь коротких временах в те годы даже никто и не мечтал.

Однако именно это сделал Зевайл. В конце 80-х годов он провел серию экспериментов, которые впоследствии привели к рождению новой области исследований, названной фемтохимией. Использование сверхбыстрой "камеры" позволило получить изображение молекул в реальном времени прохождения химической реакции и поймать картинку того момента, когда они находятся в переходном состоянии. Время в несколько десятков фемтосекунд - как раз то самое время, за которое совершается одно колебание атомов в молекуле. То, как химическая реакция протекает за то же самое время, что и колебание атомов в молекуле, можно сравнить с тем, как два воздушных акробата на трапеции "взаимодействуют" друг с другом во время того, как их трапеции сходятся и расходятся, качаясь взад и вперед.

Что же увидели химики после того, как временное разрешение было так значительно улучшено? Первым успехом было открытие веществ-интермедиаторов, образующихся на пути от исходных веществ к конечному продукту. Каждое новое улучшение временного разрешения вело к открытию новых связей в реакционной цепочке в форме все более короткоживущих интермедиаторов, с помощью которых в наших головах выкладывается мозаика механизма реакции.

Награждение Зеваля Нобелевской премией означает, что мы достигли конца пути: не существует более быстрых химических реакций, чем наблюдаемые. С помощью фемтосекундной спектроскопии мы можем наблюдать "замедленное движение", происходящее при пересечении энергетического барьера и, следовательно, понять механистическую основу уравнений Аррениуса и Вант-Гоффа.

В фемтосекундной спектроскопии исходные вещества смешиваются в виде молекулярных пучков в вакуумной камере. Затем ультрабыстрый лазер инжектирует два импульса: первый – мощный импульс накачки, который ударяет по молекулам и возбуждает их, затем более слабый, зондирующий импульс, детектирует исходную молекулу или ее измененную форму в зависимости от выбранной длины волны. Импульс накачки является стартовым сигналом к началу реакции, в то время как зондирующий импульс обследует, что происходит. Изменяя временной интервал между двумя импульсами, можно видеть, как быстро трансформируется исходная молекула. Новые формы, которые приобретает молекула при возбуждении (возможно, проходя через одно или несколько переходных состояний) имеют только им присущие спектры, которые могут служить как характерные отпечатки. Временной интервал между импульсами легко можно изменять, заставляя зондирующий импульс пройти дополнительное расстояние с помощью зеркал. Однако это дополнительное расстояние не должно быть большим: свет преодолевает расстояние в 0.03 мм за 100 fs!

Для лучшего понимания исследуемого процесса полученные спектры и временной интервал между импульсами затем сравнивают с теоретическими моделями, основанными на квантово-химических расчетах (Нобелевская премия 1998 года) спектров и энергий молекул в их различных состояниях.

Фемтохимия фундаментально изменила наш взгляд на химические реакции. Теперь мы можем видеть движение отдельных атомов, как мы их себе представляем. Более они не являются невидимыми для нас. Именно здесь лежит причина, почему развитие фемтохимических исследований, инициированных Нобелевским лауреатом этого года, носит буквально взрывной характер. Широта проблем, которые можно решить с помощью фемтохимии, ограничивается лишь нашим воображением.

Читайте также:

• "Extended version in English" by Professor Bengt Nordйn, http://www.almaz.com
• M.A. El-Sayed, I. Tanaka and Y. Molin "Ultrafast Processes in Chemistry and Photobiology" Blackwell Science 1995 306 pp, ISBN 0-86542-893-X.
• S. Pedersen, J.L. Herek and A.H. Zewail "The Validity of the Diradical Hypothesis: Direct Femtosecond Studies of the Transition-State Structures". Science Vol 266 (1994) 1359-1364.
• A.H. Zewail "The Birth of Molecules" Scientific American December 1990 p 40-46.
• V.K. Jain "The World's Fastest Camera" The World and I, October 1995 p 156-163.
• Nobel Symposium: Femtochemistry & Femtobiology: Ultrafast Reaction Dynamics at Atomic-Scale Resolution (Editor: V. Sundstrцm) World Scientific, Singapore 1996.