Учёные впервые проследили, как энергия движется внутри молекулы сразу после поглощения света, и обнаружили, что разные атомы по-своему фиксируют этот процесс. Эксперимент на Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах (European XFEL) показал, что один атом может отслеживать движение электрического заряда, а другой – структурные колебания всей молекулы.
Исследователи изучали 3-фторпиридин – небольшую кольцевую молекулу с атомами азота и фтора. Её облучали ультрафиолетовым лазерным импульсом, который возбуждал электроны. Сразу после этого с точно выверенной задержкой в несколько пикосекунд молекулу зондировали рентгеновским импульсом. Он выбивал электроны из атомов азота или фтора. Анализируя энергию этих выбитых электронов, учёные в реальном времени восстановили картину происходящих химических изменений.
Выяснилось, что поглотившая свет молекула 3-фторпиридина изгибается и на краткий миг проходит через состояние, известное как «коническое пересечение». В этой точке движение электронов и атомных ядер тесно связывается, что позволяет быстро преобразовать избыточную электронную энергию в механические колебания структуры. Затем молекула возвращается в исходное состояние.
Преобразование энергии дало разные сигналы от атомов фтора и азота. Сигнал от атома фтора чётко показал, как в молекуле постепенно затухают структурные колебания. В то же время атом азота, который изначально активнее поглощал световую энергию, предоставил более сложную картину. Его сигнал отражал одновременно и перераспределение электронного заряда, и изменение геометрии самой молекулы.
Новый метод позволяет наблюдать за сверхбыстрыми фотохимическими реакциями на атомарном уровне. Это открывает путь к пониманию, как ДНК противостоит разрушительному действию света, как энергия передаётся в материалах для солнечных батарей и как работают другие фундаментальные светозависимые процессы. Технология применима и к более сложным системам – от функциональных органических молекул до строительных блоков биомолекул.
