Исследователи из Объединенного института JILA провели эксперимент по выявлению необычных свойств уникальной молекулы протонированного метана, которая более 50 лет является объектом исследования для ученых всего мира.
Считается, что структурно-нежесткие молекулы протонированного метана можно наблюдать в изобилии только в открытом космосе. Эксперимент по получению высокой концентрации охлажденных полиморфных молекул поможет выяснить, какие процессы и химические реакции происходят в
межзвездных облаках.
Протонированный метан привлекает внимание ученых еще и потому, что относится к классу так называемых суперкислот. Эти вещества в миллионы раз сильнее обычных кислот и могут найти широкое применение в индустрии будущего.
Большинство известных молекул имеет фиксированную трехмерную структуру. В структурно-нежесткой молекуле протонированного метана (CH5+) наблюдается совершенно иная картина: к атому углерода присоединены сразу пять атомов водорода, один из которых ионизирован, то есть содержит только положительно заряженный протон. Эти пять протонов непрерывно «борются» за четыре электронные связи, в результате чего молекула все время вибрирует, вращается и переходит в различные трехмерные состояния с практически идентичными уровнями энергии.
Химики десятилетиями пытались объяснить и описать этот процесс и выдвинули множество гипотез. Однако проверить теорию с помощью экспериментов было очень сложно. Метод, разработанный исследователями Объединенного института (JILA) Национального института стандартов и технологий (NIST) и Колорадского университета в Боулдере под руководством доктора Дэвида Несбитта (David Nesbitt), позволяет синтезировать в лабораторных условиях структурно-нежесткие молекулы в больших концентрациях и детально исследовать их свойства — в частности, поглощение молекулами различных длин волн инфракрасного диапазона, сообщает Sciencedaily. Предполагается, что анализ спектров поглощения предоставит информацию о движении ядер, химических связях и структуре протонированной молекулы.
Суть метода состоит в следующем: метан под большим давлением и при высокой температуре помещается в вакуумную среду, где его молекулы охлаждаются до температуры 10К. Затем молекулы проходят через миллиметровое отверстие, где подвергаются воздействию электрического тока. В результате образуется большое количество ионов, которые необходимо окружить электронными облаками, чтобы нейтрализовать заряд газовой смеси.
Ученые облучают охлажденные ионы инфракрасным лазером и получают спектры поглощения. Охлаждение ионов значительно упрощает получаемые спектры и процедуру их анализа и в то же время сохраняет важную для ученых информацию. Исследователям из JILA удалось установить баланс между простотой и информативностью метода. Предыдущие эксперименты предоставляли либо неинформативные, либо чрезмерно сложные для анализа спектры.
По словам д-ра Несбитта, протонированный метан все еще хранит свои секреты, и дальнейшие исследования будут посвящены детальному изучению структуры этой необычной вращающейся молекулы.
