Метод рентгеноструктурного анализа является незаменимым для химиков, желающих получить информацию о химическом веществе на атомно-молекулярном уровне. Однако, для того, чтобы получить «фотографию» молекулы необходимо изучить сразу их ансамбль, упорядоченный в кристаллической решетке монокристалла (или хотя бы порошка).

Тем не менее, новая работа, выполненная международной группой исследователей, представляет собой первый шаг в направлении использовании рентгеновского излучения для получения точной структурной информации и слежением за поведением отдельных молекул в газовой фазе.

Как отмечает Стефан Саутфорт (Stephen H. Southworth), возглавляющий группу специалистов по атомной, молекулярной и оптической физике Национальной Лаборатории Аргонны (США), работа представляет собой проверку и доказательство принципа действия новой системы. Он добавляет, что после небольшой доработки новый метод позволит изучать химические процессы менее опосредованно, чем в настоящее время позволяют существующие методики.

Принципиальная схема экспериментальной установки.

Новая методика была разработана исследователями из группы Йохена Кюппера (Jochen Küpper), которые сотрудничали с центром синхротронного ускорения DESY. Кюппер с коллегами использовали уже известные методы, позволяющие ориентировать молекулярные пучки с помощью электрического поля – когда поляризованные молекулы взаимодействуют с электрическим полем определенных параметров, они выстраиваются таким образом, чтобы минимизировать свою энергию. После организации «правильного» молекулярного пучка исследователи рассекли его высокоэнергетическим короткоимпульсным рентгеновским излучением.

В экспериментах, о которых сообщается, исследователи изучали рентгеновскую дифракцию 2,5-дийодбензонитрила. Атом йода, входящий в состав соединения в значительной степени рассеивает рентгеновское излучение, приводя к образованию двухцентровой интерфернционной картины, чем-то похожей на картину, образующуюся при проведении классического эксперимента с двойной щелью. С помощью эксперимента было обнаружено, что расстояние между двумя атомами йода в молекуле составляет 800 пикометров, что больше ожидавшегося значения в 700 пикометров.

В настоящее время исследователи из группы Кюппера пытаются оптимизировать разрешение, которого можно добиться с помощью данного измерительного эксперимента. Длина волны использованных в эксперименте импульсов рентгеновского излучения составляла 620 пикометров, что сравнимо с расстоянием между атомами йода. Для большего разрешения и для получения более детальной информации о структуре необходимо использовать излучение с более короткими волнами, и модернизация оборудования, проделанная с того времени, как были проделаны первые эксперименты с 2,5-дийодбензонитрилом, позволяет использовать рентгеновское излучение с длиной волны до 100 пикометров. Исследователи также работают в направлении уменьшения продолжительности импульсов с целью более быстрого повторения элементарных актов анализа и минимизации влияния излучения на молекулу до процесса дифракции.

Кюппер добавляет, что более короткие импульсы также позволят, например, проводить эксперименты по изучению фотохимических реакций в режиме реального времени. Такие эксперименты, которые позволили бы получить не только «фотокарточку» молекулы, но и «документальный фильм» про ее жизнь, требуют того, чтобы импульсы излучения составляли всего несколько фемтосекунд, в то время как при изучении 2,5-дийодбензонитрила продолжительность импульсов рентгеновского излучения составляла сотни фемтосекунд.