Химические реакции, лежащие в основе фотосинтеза, зрения, усвоения организмом витамина D и других процессов, протекают под действием солнечного света. Энергия излучения передается электронам в атомах органических молекул, из которых состоят биологические ткани. Электроны, получив порцию энергии, переходят в так называемые возбужденные состояния, в которых потом находятся некоторое время.
Когда электроны получают дополнительную «силу», то не могут «усидеть на месте» и перераспределяются в пространстве, как дети на уроке физкультуры после разминки носятся по спортзалу с раскрасневшимися лицами и успокаиваются к середине следующего урока. От положения электронов после возбуждения зависит разрушение старых и образование новых химических связей — то, что в школьной тетрадке мы называли химической реакцией.
Как именно электроны располагаются в атомах вещества до старта реакции известно теоретически. Движение электронов после воздействия на вещество солнечного света много раз было косвенно зафиксировано в экспериментах. Но увидеть, что происходит с ними сразу после «разминки» ученым пока не удавалось.
Инструменты, которые были доступны исследователям ранее, не позволяли поймать нужный момент. Школьный учитель, входящий в кабинет, где секунду назад шумели пятиклассники, видит лишь последствия их шалостей на доске. Так и ученые наблюдали лишь движение атомных ядер на старте химической реакции. Требовался быстрый и чувствительный инструмент.
Исследователи из Университета Брауна, Университета Эдинбурга и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США в своих экспериментах использовали именно такой инструмент. Подготовка к опыту длилась около 20 лет, а вот сама съемка молекулярного «кино» заняла всего лишь 200 фемтосекунд — одну миллионную от одной миллиардной доли секунды. За это время рентгеновские лучи пролетели через нагретое солнечным светом вещество и отклонились в зависимости от положения электронов. Атомные ядра не успели «расшевелиться» за короткий «дубль» и не внесли вклад в распределение рентгеновских лучей на детекторе.
«Актерам» — органическим кольцевым молекулам, участвующим в выработке витамина D в коже, предоставили максимально комфортные условия. Молекулы свободно перемещались в газовой среде, где им предстояло рассыпаться на части под действием солнечного света. «Короткометражка» показала ученым, что электронные оболочки перед стартом реакции раздуваются. Облака электронов в атомах деформировались в более крупные и более диффузные, соответствующие возбужденному электронному состоянию.
Удачный эксперимент вошел в число 75 наиболее важных научных достижений лаборатории Министерства энергетики. В это число входят такие события как расшифровка ДНК и обнаружение невесомых нейтрино. Исследование в журнале Nature Communications.