Открытие физиков СПбГУ поможет изучать слабые связи между молекулами

Физики Санкт-Петербургского университета смогли зафиксировать излучение при возбуждении слабосвязанных комплексов молекул галогенов с атомами инертных газов и впервые доказать, что оно принадлежит самим комплексам.

Рисунок (graphical abstract) из статьи, в которой описаны эти результаты, по решению редакторов журнала Chemical Physics Letters размещен на обложке научного издания.

Вода, лед и водяной пар, как известно, состоят из одних и тех же молекул — H2O, но все-таки эти вещества заметно отличаются друг от друга. Их отличие во многом обусловлено тем, что между молекулами есть некая связь, которая притягивает их друг к другу. Если взаимодействие сильное, то происходит химическая реакция, как, к примеру, два атома водорода и атом кислорода образуют молекулу воды. Если же взаимодействие слабое, как между молекулами воды, то от него зависит вид агрегатного состояния вещества — жидкое, газообразное, твердое.

В центре внимания исследовательской группы СПбГУ под руководством профессора Анатолия Правилова находится один из видов слабых межмолекулярных связей — ван-дер-ваальсовы (ВДВ) силы. Ученые исследуют простейшие ВДВ-комплексы, состоящие из атомов инертных газов (гелия, неона, аргона и криптона) и молекул йода. Главным образом исследователей интересует, как зависит сила связи в комплексах и их распад от поляризуемости инертных газов; ведь чтобы изучить сложные молекулярные системы, нужно сначала разобраться, как устроены самые простые.

Получить ВДВ-комплексы можно только при сверхнизких температурах — для этого физики СПбГУ используют экспериментальную установку, созданную ими в 2015 году. В ней газовую смесь из молекул йода и инертных газов «выпускают» в вакуум, чтобы получить сверхзвуковой молекулярный пучок. В этих пучках атомы и молекулы охлаждаются до низких, около 1 К (-272 ˚С), температур, в результате чего образуются ВДВ-комплексы в невозбужденных состояниях. Они с помощью лазеров переводятся в возбужденное, так называемое ионно-парное, состояние. Далее этот возбужденный комплекс эволюционирует: разваливается на атом инертного газа и молекулу йода в этом состоянии (адиабатический распад), переходит в другие возбужденные состояния (неадиабатический распад), которые тоже разваливаются. Анализируя продукты распада комплексов, можно изучать процессы их эволюции.

Исследователям СПбГУ удалось зафиксировать излучение ВДВ-комплексов. Оказалось, что оно очень похоже на излучение свободных молекул йода, но есть и отличия. «Мы знаем, что молекула йода в заселяемом нами ионно-парном состоянии излучает в течение 26 наносекунд — это время ее жизни, можно сказать, паспортные данные, по которым ученые понимают, что видят именно йод в данном возбужденном состоянии, — объяснил кандидат физико-математических наук, доцент СПбГУ Сергей Лукашов. — Мы же смогли зафиксировать излучение при заселении комплекса NeI2, которое длилось восемь наносекунд в случаях, когда адиабатический распад комплекса невозможен, и примерно одну наносекунду, когда он возможен. Это прямое доказательство наличия люминесценции ВДВ-комплекса NeI2».

Руководитель исследовательской группы Анатолий Правилов отметил, что полученные результаты имеют большое значение для теоретической физики, ведь их можно использовать для исследования динамики внутренних превращений в подобных комплексах. «Их необходимо изучать, потому что они самые простые. Если мы разберемся с ними, то, в конце концов, сможем исследовать и описывать более сложные структуры, к примеру комплексы биомолекул, — сказал Анатолий Правилов. — Кроме того, процессы, связанные с ВДВ-комплексами, имеют место в атмосфере Земли или, скажем, в межзвездном пространстве, где химические реакции проходят в совершенно других условиях — при низких температурах и в условиях интенсивного ультрафиолетового излучения».