Физики обстреляли медь молекулами красителя и разорвали связи азот-углерод

Физики выстрелили с помощью электрораспылителя молекулами красителя Рейхардта в медную пластину — в ходе соударения в молекуле селективно разрывались связи азот-углерод, что привело к образованию продукта, который не получается при обычном нагревании молекулы. Чтобы проследить за динамикой молекулы при соударении, авторы провели молекулярное моделирование — связь азот-углерод при соударении растягивалась, что и привело к ее разрыву. Ударное воздействие на молекулы может найти применение в импульсной механохимии, пишут ученые в журнале Physical Review Letters.

Разогнать и столкнуть атомы для человечества сейчас уже не кажется чем-то новым. Однако если немного откатить масштаб и столкнуть молекулу с поверхностью — протекают поверхностные реакции с разрывом связей. Ученые используют это в гетерогенных катализаторах или эпитаксиальном нанесении тонких пленок. Однако из-за того, что чаще всего само столкновение вызывает недостаточные колебания для разрыва связи, тепловые эффекты оказываются доминирующими. Из-за этого до сих пор непонятно, может ли столкновение без нагрева привести к селективному разрыву связей.

Лукас Крумбайн (Lukas Krumbein) с коллегами из Института исследования твердого тела Общества Макса Планка с помощью электрораспылительного ионного пучка разогнали протонированную молекулу красителя Рейхардта в медную пластину и наблюдали за продуктами распада молекулы с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Оказалось, что после столкновения на медной поверхности 80 процентов молекул можно четко разделить на четыре типа молекул — непрореагировавший краситель, две молекулы после разрушения (продукт расщепления) и молекула с разомкнутым циклом (продукт «растрескивания»). Остальные 20 процентов ученые определить и классифицировать не смогли — скорее всего это те же продукты разрушения, которые расположились на медной подложке необычным образом из-за дефектов или ступенчатых краев.

Неразрушенная молекула красителя адсорбируется на поверхности меди с двумя фенильными кольцами направленными вертикально, в то время как продукт расщепления адсорбируется полностью горизонтально. Продукт растрескивания молекулы красителя же сорбируется только с одной вертикально направленной фенильной группой. При термическом нагревании получается лишь продукт разрушения молекулы — а потому авторы считают, что в ходе соударения происходит селективное разрушение связи, направленной под углом относительно связи азот — кислород.

Подсчитав относительные количества продуктов реакций, авторы оценили относительные вероятности протекания реакций в зависимости от кинетической энергии молекулярного пучка. Из этих данных ученым удалось оценить пороговую энергию реакций: для расщепления — девять, а для растрескивания — шесть электронвольт. При этом вероятность при увеличении кинетической энергии выходила на насыщение: 35 процентов для расщепления и 43 процента для растрескивания.

Чтобы описать динамику процесса с молекулярной точки зрения, ученые провели моделирование столкновения молекулы красителя с поверхностью меди. Изменяя начальную энергию и ориентацию молекулы (всего было задействовано 26 разных ориентаций), авторы воспроизвели все три возможные процесса соударения. Во всех случаях молекула красителя сжималась при столкновении с поверхностью, максимальная сила реакции медной поверхности — 2,5 наноньютона. При сжатии исследователи наблюдали растяжение связи C — N, которое при превышении порогового значения и вызывало разрушение связи. Оставшийся заряд на углероде притягивался к атомам меди с образованием новой связи, тем самым стабилизируя продукт реакции.

Авторы сравнивают процесс диссоциации связи C — N с отщеплением водорода в молекуле бензола на медной поверхности. По их мнению, смешивание орбиталей из-за растяжения связи увеличивает склонность нижней свободной молекулярной орбитали к гибридизации и образованию связи с поверхностью.

Таким образом исследователи впервые наблюдали гипертермическое столкновение многоатомного иона с металлической поверхностью с протеканием селективных реакций — что открывает дорогу к импульсной механохимии, в которой происходит воздействие на молекулу за пикосекунды. К тому же авторы предлагают такой способ для исследования любых молекул, способных к зарядке, что может привести к продуктам, которые не получаются в условиях нагрева.

Сталкивать можно не только массивные частиц, но и фотоны. Четыре года назад физики впервые наблюдали их столкновение в Большом адронном коллайдере при процессе ультрапериферийных столкновений ядер свинца с энергиями в пять тераэлектронвольт.