Неожиданное открытие: плоские молекулы обладают объемом и хиральностью

Новости МирТесен

На атомном уровне, при рассмотрении молекул в квантовомеханическом контексте, атомы не имеют фиксированного положения. Исследователям удалось зафиксировать изменения в их расположении и продемонстрировать, как меняется пространственное строение муравьиной кислоты в процессе динамических взаимодействий.

В учебниках по химии молекулы обычно представляются в виде жестких структур, состоящих из сфер, символизирующих атомы, и стержней, обозначающих связи между ними. Муравьиная кислота ( CH₂O₂, HCOOH), который активно используется множеством живых существ, на подобных изображениях предстает в виде двумерной структуры.

В действительности эти молекулы не плоские, они обладают объемом благодаря квантовым эффектам. Международная группа исследователей во главе с профессором Райнхардом Дёрнером ( Reinhard Dörner) позволило установить точную пространственную организацию молекулы муравьиной кислоты и раскрыло механизм, обуславливающий её «динамическую хиральность». Данное исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Для детального изучения молекулы в физике применяли рентгеновское излучение, полученное с синхротрона PETRA III в ускорительном центре DESY в Гамбурге (Германия).

Для точного определения координат атомов в молекуле, исследователи фиксировали два явления, возникающих при воздействии на вещество рентгеновским излучением. Рентгеновское излучение 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.

Анализ полученных данных позволил ученым определить первоначальную геометрию молекулы муравьиной кислоты. Выяснилось, что атомы водорода в этой молекуле испытывают небольшие колебания, что свидетельствует о её непланарной структуре.

«По словам профессора Дернера, в квантовом мире атомные ядра не являются неподвижными, крошечными шарами. Они скорее напоминают вибрирующие облака. Даже при охлаждении молекулы до абсолютного нуля это колебание, известное как нулевые колебания, не исчезает.

Подобная вибрация указывает на отсутствие фиксированного положения атомных ядер, существует лишь вероятность обнаружить их в конкретном месте. Получается, что молекула муравьиной кислоты объемна практически в каждый момент времени.

Появление третьего измерения приводит к тому, что молекула теряет симметрию и приобретает хиральность, становясь либо «левой», либо «правой», подобно человеческим рукам. Правую руку невозможно повернуть таким образом, чтобы она полностью соответствовала левой, и аналогичная ситуация наблюдается с левыми и правыми молекулами, несмотря на то, что они 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.

Согласно недавнему исследованию, геометрия молекул не является неизменной. Молекула муравьиной кислоты на короткое время, порядка долей секунды, проявляет свойства как левого, так и правого энантиомера вследствие квантовых явлений. Равномерная конфигурация молекулы представляет собой среднее значение ее состояний, а не точное отображение действительности. Установлено, что форма молекулы обладает динамичностью, как и ее хиральность. Полученные данные могут оказаться полезными для физиков и химиков при изучении характеристик молекул и механизмов химических реакций.