Американські фізики першими у світі змусили світло зникнути всередині рідини

Дослідники з Університету штату Огайо та Луїзіанського університету вперше показали, що високогармонічна спектроскопія (HHS) може застосовуватися для дослідження рідин. Це відкриває нові можливості для спостереження за ультрашвидкою динамікою електронів у розчинах. Робота, опублікована у PNAS, демонструє, що метод, який раніше використовували переважно для газів і твердих тіл, здатний виявляти тонкі взаємодії між розчинником і розчиненою речовиною на атосекундних часових проміжках.

Вчені пояснили: HHS базується на надкоротких лазерних імпульсах, які тимчасово виривають електрони з молекул. Коли вони повертаються, випромінюється світло, що несе інформацію про рух електронів і навіть атомних ядер. На відміну від традиційної спектроскопії, яка працює повільніше, HHS дозволяє фіксувати події тривалістю лише атосекунду — мільярдну частку мільярдної частки секунди.

Рідини довго залишалися складними для таких експериментів: вони поглинають значну частину гармонічного світла, а постійний рух молекул ускладнює сигнал. Щоб подолати ці проблеми, команда створила надтонкий «лист» рідини, який пропускає більше світла. Це дозволило вперше зафіксувати швидкі молекулярні рухи та локальні структурні зміни в рідинах.

Художнє зображення генерації високих гармонік у рідкому розчині метанолу та фторобензолу. У цьому випадку фторобензол модифікує структуру сольватації метанолу і діє як бар’єр розсіювання для електронів, що випромінюються з метанолу, спричиняючи придушення певних частот випромінюваного світла. Джерело: професор кафедри хімії Університету штату Луїзіана Кеннет Лопата.

У серії експериментів дослідники вивчали метанол із домішками галогенбензенів. У більшості випадків результати були очікуваними, але розчин фторбензену (PhF) дав несподіваний ефект: сигнал був значно слабшим, а одна гармоніка зникла повністю. Моделювання показало, що атоми фтору утворюють специфічні водневі зв’язки з метанолом, створюючи більш впорядковану структуру розчинення. Це утворює бар’єр для електронів і порушує процес генерації гармонік.

Таке вибіркове пригнічення сигналу є рідкісним і свідчить про локальні молекулярні взаємодії. Вчені наголошують, що результати демонструють чутливість HHS до конкретних структур у рідкому середовищі.

Оскільки багато ключових хімічних і біологічних процесів відбуваються саме в рідинах, нова методика може мати широке застосування — від розуміння механізмів пошкодження тканин під дією радіації до дослідження матеріалів і біомолекул.