Ученые сфотографировали молекулярную орбиталь

Ученые сфотографировали молекулярную орбиталь
// 20 декабря 2004 года, 09:30

Чрезвычайно интересных результатов добилась группа исследователей из Института молекулярных исследований имени Эдгарда Стиси (Steacie Institute for Molecular Sciences) Национального научного совета Канады в Оттаве. Используя оригинальную методику они сумели впервые в мире получить трехмерное изображение молекулярной орбитали - области пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона в молекуле.

Согласно теории молекулярных орбиталей, при взаимодействии атомов электроны переходят с относительно простых атомных орбиталей, расположенных вокруг ядра, на более сложные молекулярные орбитали.

Число молекулярных орбиталей соответствует суммарному числу орбиталей в атомах, а сами молекулярные орбитали охватывают всю молекулу и имеют несколько центров - ядер атомов, входящих в состав молекулы. Формы молекулярных орбиталей (как и атомных) задаются сложными квантово-механическими уравнениями.

Для проведения исследований учеными во главе с Дэвидом Вильневым использовалась молекула азота, которая имеет достаточно простое линейное строение. В ходе опытов молекула азота помещалась во вращающуюся вакуумную камеру и облучалась очень короткими - длительностью в 2 фемтосекунды (2·10-15 c) - лазерными импульсами. Лазерный луч на короткое время выбивал электрон из молекулы, ионизируя ее. При возвращении электрона в молекулу испускается рентгеновский фотон, который интерферирует с излучением лазера, сообщает Nature Science Update. Полученная интерференционная картина и стала ключом к получению изображения молекулярной орбитали.

Трехмерное изображение орбитали удалось получить благодаря методу, похожему на компьютерную томографию, когда вокруг пациента вращается источник рентгеновских лучей. В данном случае вращалась сама вакуумная камера с молекулой азота. Полученная картина соответствует одному электрону, "размазанному" в молекуле азота. Точную его позицию не позволяет определить соотношение неопределенности Гейзенберга. На иллюстрации показана трехмерная картина и ее двумерный "разрез". Как видно, электронная плотность концентрируется вокруг ядер обоих атомов азота (красные и оранжевые области соответствуют орбитали электрона, темные точки - ядрам) и между ядрами (синяя область).

В перспективе Вильнев и его коллеги планируют провести аналогичные исследования для более сложных молекул, а в будущем надеются понаблюдать за изменением формы орбиталей in situ - непосредственно в ходе химической реакции.

// Ученые сфотографировали молекулярную орбиталь - Наука и техника - Естественные науки - Компьюлента

Вот это да! Для меня интересна даже не сама орбиталь, а то, что появился новый способ определения структуры неизвестного вещества. До сих пор был только один способ - рентгеноструктурный анализ.

Ну прямо-таки и один! А ЭПР, а масс-спектроскопия, масс-хроматография и т.д.?

А штука с фото орбитали - обалдеть! Правда, я пока не совсем разобрался, какова степень соответствия получаемого изображения.

Fakir> Ну прямо-таки и один! А ЭПР, а масс-спектроскопия, масс-хроматография и т.д.?

Добавь ещё ЯМР, ИК и много ещё чего. Но всё это косвенные методы, не дающие абсолютно точную однозначную структуру. На сегодня единственный метод, строго доказывающий структуру, - только рентген.

ЕМНИП, с ЭПР в принципе можно получить и точную структуру (хотя и нетривиально весьма). Да и рентгеном бывают же ситуации, когда картина оказывается не вполне однозначной.

Что-то так и не понял, что именно они хотели обозначит цветом (синим и красным). Где плотность выше?

И, кстати, нельзя ведь, строго говоря, утверждать, что сфотографировано именно положение электрона в атоме - зафиксированы лишь точки испускания рентгеновских квантов.

> появился новый способ определения структуры неизвестного вещества

Пока читал статью, подумал тоже об этом

>>Добавь ещё ЯМР, ИК и много ещё чего. Но всё это косвенные методы, не >>дающие абсолютно точную однозначную структуру.

На самом деле такие методы как ИК, КР, ЭПР, ЯМР не дают структуры "с нуля", то есть у нас уже должны быть некие представления о структуре образца - как правило - просто несколько альтернатив, из которых надо выбрать одну - вот с помощью них и выбирают.

>>На сегодня единственный метод, строго доказывающий структуру, - >>только рентген.

ну, есть еще neutron diffraction(рассеяние нейтронов) - но это дорого, т.к. нужен ускоритель

SQUID - это вроде больше к магнитной структуре относится, а не к обычной...

>> появился новый способ определения структуры неизвестного вещества

Вряд ли это можно так назвать. Речь ведь идет об отдельной молекуле, а рентгеноструктурный анализ дает структуру решетки. Результат интересный, но до метода определения структуры не дотягивает. Здесь определяется структура электронного облака, а взаимное положение ядер в молекуле можно определить гораздо более простыми методами. Кстати, электронные орбитали молекулы азота сейчас легче и точнее расчитать, чем определить в эксперименте.

K. Gornik

Речь ведь идет об отдельной молекуле, а рентгеноструктурный анализ дает структуру решетки. Результат интересный, но до метода определения структуры не дотягивает.

 

Так строение молекул часто называют строением вещества.

Здесь определяется структура электронного облака, а взаимное положение ядер в молекуле можно определить гораздо более простыми методами

 

Так и электронные структуры важно бывает знать. Это же всякие стабильности молекул, энергии связей, химсвойства и т.д.

Кстати, электронные орбитали молекулы азота сейчас легче и точнее расчитать, чем определить в эксперименте.

 

Азота - конечно. А чего посложнее? Тоже, разумеется, считают, но ведь с кучей допущений и приближений, и трудоемкость немалая - а тут и экспериментальная проверка, возможно вообще проверить расчётные методы напрямую, а не по выводам.

K. Gornik

Стабильность молекул и химсвойства изучаются гораздо более простыми методами. Химическими.

 

Однако же люди парятся и считают. Для большей общности, может быть? Или ради каких-то спектроскопических целей? Не знаю точно.

А проверить расчетные методы - ну, если метод дает энергию связи, расстояния и углы между ядрами и прочее, то какие претензии.

 

Расположение ядер как раз обычно берут известным, а просчитывают именно электронные конфигурации, энергии связи, ионизации для электронов разных оболочек. Метод энергии-то дает, но разные приближения - с разной точностью (когда до 0,2 эВ, когда и лучше или хуже - в зависимости от навороченности метода), но трудно же проверить точность для всех возможных результатов, оценку точности часто делают на глазок.

Я очень сомневаюсь, что это прорыв в способах изучениявещества.

 

C этим-то я в принципе согласен.

>>> появился новый способ определения структуры неизвестного вещества
K.G.> Вряд ли это можно так назвать. Речь ведь идет об отдельной молекуле, а рентгеноструктурный анализ дает структуру решетки.

Я имел в виду именно строение молекулы. Мне, как химику, именно это и нужно.

K.G.> Результат интересный, но до метода определения структуры не дотягивает

Конечно, это ещё не готовый метод, но наверное может таким стать.

K.G.> взаимное положение ядер в молекуле можно определить гораздо более простыми методами

Какими?

А насколько эта установка может быть компактной и легкой? Также по энергопотреблению?
На Марсе нечто такое пригодилось бы.

А нахрена она на Марсе?!

Как это зачем?
Вот роверы выдают данные, на основании которых "с высокой вероятностью можно утверждать...."
На Землю грунт оттуда еще ого как нескоро привезут. Иметь прибор, который на месте может точно определить структуру - архиважно.

Перечитайте топик еще раз:)
Зачем вам знать строение молекулярных орбиталей чего-то там на Марсе?! Может, чего попроще сгодится?

Попроще? Теперишние роверы далеко не простые. Моссбауэр есть по крайней мере. А вот на следующий список аппаратуры куда как внушительнее. И большинство нацелено на определение состава "чего-то там на Марсе"

1. Mars Science Laboratory Mast Camera. Предложение Майкла Мэлина (Michael Malin) из компании Malin Space Science Systems (MSSS). Предполагает проведение фотосъемки поверхности Марса в различных участках спектра и формирование стереоизображений.
2. ChemCam: Laser Induced Remote Sensing for Chemistry and Micro-Imaging. Предложение Роджера Венса (Roger Wiens) из Лос-Аламосской национальной лаборатории. Изучение химического состава грунта.
3. MAHLI: MArs HandLens Imager for the Mars Science Laboratory. Предложение Кеннета Эдгетта (Kenneth Edgett) из Malin Space Science Systems (MSSS). Съемка малоразмерных объектов на поверхности Марса с высоким разрешением (в 2,4 раза лучше, чем это делают в настоящее время камеры марсоходов Spirit и Opportunity).
4. The Alpha-Particle-X-ray-Spectrometer for Mars Science Laboratory (APXS). Предложение Ральфа Геллерта (Ralf Gellert) из германского Института химии Макса Планка.
5. CheMin: An X-ray Diffraction/X-ray Fluorescence (XRD/XRF) instrument for definitive mineralogical analysis in the Analytical Laboratory of MSL. Предложение Дэвида Блэйка (David Blake) из Исследовательского центра NASA имени Эймса. Геологичексие исследования.
6. Radiation Assessment Detector (RAD). Предложение Дональда Хасслера (Donald Hassler) из Юго-Западного научно-исследовательского института. Изучение излучений марсианской поверхности.
7. Mars Descent Imager. Предложение Майкла Мэлина (см. п. 1). Цветная фотосъемка с высоким разрешением на участке спуска.
8. Sample Analysis at Mars with an integrated suite consisting of a gas chromatograph mass spectrometer, and a tunable laser spectrometer (SAM). Предложение Пола Махаффи (Paul Mahaffy) из Центра космических полетов NASA имени ГОддарда. Изучение минералов и атмосферы.

Всё это прекрасно и той или иной мере нужно. Но зачем вам фотографировать прямо на Марсе именно строение молекулярных орбиталей местных веществ?! Если они вам почему-то так интересны - достаточно данных рентгеноструктурного анализа, чтобы все это просчитать. Не исключено, что не с худшей точностью.

Мдя. По поводу ЭПР - это конечно косвенный метод. Может, где-то и основной, но уж точно не в определении структуры вещества. Да и то - парамагнитного или с внедренной спиновой меткой. Так, расстояние между парамагнитными центрами в кристалле уточнить, степень перекрывания внешниз занятых орбиталей (по прикидкам обменного интеграла например)... По крайней мере, это верно для традиционного стационарного ЭПР. Со времяразрешенным куда веселее. Так что, ИМХО, рентгеноструктурный анализ никуда не денется, АС и СТ микроскопии тоже никуда не денутся, выживут.

Татарин>Ну так и ЭПР, строго говоря, дает лишь структуру уровней...
Э неееет! Структура уровней(лишь) - это позавчерашний день. См. про времяразрешенный ЭПР.

Со смыслом статьи у меня непонятки. Какую же все-таки молекулярную орбиталь наблюдали. ВЗМО? А ионизация оттуда - рентгена требует? Я просто не помню. И еще хотелось бы узнать, как они все же интерф. картинку получают?

ИМХО так: инфа о пространственном распределении электронов в молекуле никогда не помешает. Если удастся сделать однозначную привязку картинки и перейти к сложным молекулам - это м. быть очень круто. По моему, из этого может получиться рентгеновская томография фотохимической реакции на одной-двух молекулах с временным разрешением.

Обратите внимание на последние 2 строчки в самом первом посте. И на диапазон импульсов - 2 фемтосекунды - это ЕМНИП, меньше или порядка характерных времен существования, скажем, активированного комплекса и прочих самых экстремально короткоживущих промежуточных стадий хим. реакции. Все технич. навороты навроде фемтосекундных лазеров, спектроскопии одной молекулы и т.д. делаются ради динамики. Ради контроля за хим. реакцией. Хотя структура интересна, без нее никуда, но самая вкусная часть - динамика химических реакций (а в перспективе м.быть и контроль над ней).

Динамика - мейнстрим, никакой стационарщины типа расстояния между уровнями. Когерентность, когерентность и еще раз когерентность! Вмазали по молекуле лазером и вперед, глядеть как она отдышаться пытается. А глядеть можно не только на интерференционную картинку. Если у вас есть спектрометр времяразрешенного ЭПР, то на наносекундном диапазоне (чувствительность, мля, куда там до оптиков с их фемтосекундами, даже пико - никак. ) можно за откликом следить в динамике и еще играть с ним контролируемыми магнитными полями. Т. е. исследовать и контролировать вещество в сильно неравновесном, нестационарном состоянии.

Вот такой я оптимистичный ламер. Прочел, но раз толком не понял, то хоть размечтался. Извиняюсь за сумбур, каша в голове и пишу урывками.