Наука и технологии |
Лазер на свободных электронахЛазер на свободных электронахИнститутом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН построен самый мощный в мире источник терагерцового (субмиллиметрового) излучения — лазер на свободных электронах (ЛСЭ). Это излучение выведено из ускорительного зала на шесть экспериментальных станций, на которых решаются задачи в области физики, химии, биологии и медицины учеными 12-ти институтов СО РАН и НГУ.
В частности, излучение этой установки использовано сотрудниками ИХКГ, ИЦГ и ИЯФ СО РАН для разработки нового метода исследования сложных молекулярных систем — метода «мягкой абляции». Вследствие малой (0,01 эВ) энергии квантов данное излучение позволяет переводить в аэрозольную фазу (наночастицы в газе) полимеры, сложные кластеры и биологические макромолекулы без их разрушения. Последние при этом сохраняют свою биологическую активность. Определение размеров частиц осуществляется при помощи диффузионного спектрометра аэрозолей ДСА (ИХКГ) в диапазоне от 3 нм до 10 мкм. Новый метод расширяет возможности исследования процессов полимеризации, протеомного анализа, создания и диагностики биологических микрочипов.
Результаты опубликованы в российских и международных научных изданиях, в научно-популярном журнале «Наука из первых рук», доложены на отечественных и зарубежных конференциях, озвучены ак. Н. Добрецовым на общем собрании СО РАН и ак. Ю. Осиповым на общем собрании РАН, а также представлены на выставке достижений СО РАН и на сайте Сибирского центра фотохимических исследований. Кратко проиллюстрируем их для широкого круга читателей.
Фуллереноподобные комплексы на основе молибдена (Мо368), синтезированные в ИНХ СО РАН (В. Федин), имеют характерный размер ~5,6 нм. Представлялось интересным выяснить, можно ли в такого типа структурах проводить неразрушающую абляцию и с какой точностью можно измерять их размеры при помощи ДСА. Сопоставление размеров образующихся аэрозольных частиц, полученных при помощи диффузионного спектрометра и на электронном микроскопе, дает хорошие результаты (Рис. 1).
В Лимнологическом институте СО РАН синтезированы полимеры винилимидазола с различными молекулярными весами. Мягкая абляция образцов этого полимера показала, что размеры частиц соответствуют их молекулярному весу (Рис. 2). Мы полагаем, что в будущем наш метод может быть востребован для анализа процесса полимеризации и получения наночастиц полимеров.
При абляции ДНК фага образуются частицы размером 70 нм, а ДНК плазмиды дает — 7 нм. Абляция смеси этих двух компонент дает бимодальное распределение с максимумами, соответствующими раздельной абляции (Рис. 3). Отсутствие частиц меньшего размера свидетельствует о том, что при абляции не происходит деструкции этих сложных биологических макромолекул. Аналогичные результаты получены и для других белковых молекул.
Абляция пероксидазы хрена на длине волны 128 мкм образует частицы размером около 50 нм, при этом активность фермента сохраняется. Абляция на длине волны 154 мкм формирует частицы диаметром меньше нативного для пероксидазы, при этом активность фермента пропадает. Известно, что в области 140-150 мкм (70-65 см-1) проявляются внеплоскостные деформационные колебания водородных связей О-Н…О и О-Н…N. Вероятно, резонансное воздействие излучения ЛСЭ разрушает активный центр пероксидазы, чем и объясняется потеря активности фермента при облучении его в этом диапазоне длин волн.
Исследования в этом направлении продолжаются и уже выходят на практическое приложение. Однако следует напомнить, что все они ведутся на ЛСЭ первой очереди с плавной перестройкой излучения 110-240 мкм. В настоящее время идет монтаж второй очереди, реализация которой даст в руки исследователей уникальный источник мощного ИК-излучения с плавной перестройкой в диапазоне 3-300 мкм, где проявляются все основные колебания любых химических соединений. История науки показывает, что всегда новые методы исследования давали мощный импульс открытиям (часто — неожиданным) в различных областях знаний. Достаточно вспомнить, что «наделали» в науке микроскоп, эмиссионная-, ИК-, УФ-, КП-, ЭПР-, ЯМР-спектроскопии, хроматография, рентгеновское излучение, масс-спектрометрия, радиоактивность, лазеры и т.д. Думается, что наши потомки в этот ряд поставят еще СИ и ЛСЭ, а нам в юбилейные дни уместно помечтать о ближайшем будущем, в котором мы планируем широким фронтом заняться управлением химическими реакциями ИК-лазерным излучением. В области управления химическими процессами лазерным излучением наиболее развитой является часть, относящаяся к газофазным процессам.
Изучение влияния инфракрасного лазерного излучения на газофазные химические реакции важно как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. С фундаментальной стороны эти исследования проливают свет на роль различных видов внутренней энергии молекул в преодолении активационного барьера химической реакции. С прикладной стороны — открывают путь к проведению различного рода селективных процессов и созданию на их базе технологий очистки или разделения компонент с близкими свойствами (изотопов, изомеров и т.д.). Можно выделить два подхода в построении схем управления химическими реакциями инфракрасным лазерным излучением. В первом случае лазерное излучение осуществляет достаточно высокое колебательное возбуждение молекулы, в результате которого происходит диссоциация молекулы. Явление получило название инфракрасной многофотонной диссоциации (ИК МФД). Если процесс набора энергии происходит безстолкновительно (короткий импульс и низкое давление газа), то такая диссоциация может быть селективной по изотопам, изомерам или компонентам смеси при резонансной настройке лазерного излучения на один из них. Это — управление мономолекулярными процессами. Другой подход предполагает сравнительно низкое возбуждение молекулы, не приводящее к ее диссоциации, но приводящее к увеличению скорости последующих реакций, в которые вступает возбужденная молекула. Данный подход можно назвать лазерным управлением бимолекулярными химическими реакциями. Многие бимолекулярные реакции с участием атомов или свободных радикалов имеют величину активационного барьера в диапазоне 3-15 ккал/моль, что совпадает с энергией одного — двух квантов для валентных колебаний химических связей. Можно надеяться, что возбуждение этих колебаний приведет к снятию или снижению активационного барьера. Это может дать увеличение константы скорости реакции в 100 раз. Открывается возможность очень экономного с энергетической точки зрения управления реакцией. Мы готовимся, используя перестраиваемое излучение второй очереди ЛСЭ, начать систематическое исследование влияния колебательного возбуждения реагентов на скорость реакций, имеющих небольшую энергию активации и поиск реакций, в которых колебательная энергия наиболее эффективна в преодолении активационного барьера.
А. Петров, профессор,
|
