Атомы анфас и в профиль
Промышленность всех стран тратит миллиарды долларов на борьбу с коррозией металлов, или, по-простому, с ржавчиной. И чтобы действовать осмысленно и эффективно, надо в мельчайших деталях понимать, как ржавеет металл, как атомы газов воздуха прикрепляются к его поверхности.
Группа химиков из шведского Университета в Уппсале и эксперты компании IBM изучали поведение двухатомных молекул азота на поверхности никеля и обнаружили, что молекулы прикрепляются к поверхности «стоя»: с ней взаимодействует только один атом, а второй находится над ним.
Прежде считалось, что взаимодействие с поверхностью гораздо слабее, чем между атомами азота в молекуле. Ученые полагали, что симметричная структура молекулы если и меняется, то не существенно. Экспериментаторы обнаружили, что у поверхности электронная структура атома сильно изменяется, а связь между атомами в молекуле слабеет. И это может дать правильное решение в защите поверхности металлов от ржавчины.
Не менее важно понимать, как ведут себя атомы в молекулах белка. Сотрудники Чикагского университета следили с помощью синхротронного излучения за тем, как перестраивается молекула миоглобина (белка, обнаруженного в мускулах и ответственного за накопление и перенос кислорода), как молекулы кислорода захватываются и высвобождаются из «пещерообразных» структур в молекуле.
Чтобы облегчить наблюдение, ученые подменили кислород окисью углерода (СО): ее молекула легче отделяется от миоглобина под воздействием рентгеновских лучей. Под воздействием первого лазерного импульса молекула СО высвобождалась из молекулы миоглобина, а через некоторое время по молекуле «стрелял» пучок рентгеновских лучей синхротронного излучения. Эксперимент повторялся много раз с увеличением интервала между лазерным импульсом и «выстрелом» лучей, и для «съемки» потребовалась сложная электроника, способная отслеживать приход лазерных импульсов длиной менее наносекунды.
Результаты выглядели как мультфильм: каждый кадр был получен от короткой вспышки излучения, возникавшей через каждую миллисекунду. Так ученые получили «кино» о поведении молекулы миоглобина. Оно запечатлело, что через несколько наносекунд после начала высвобождения молекула СО, первоначально связанная с атомом железа молекулы миоглобина, находилась уже на расстоянии четырех ангстремов от нее. При этом молекула СО успела еще и повернуться на 900 по отношению к своей начальной позиции. Выяснилось, что в этом положении молекула СО как бы застывает и может ждать сотни наносекунд, пока ее не «захватят» какие-либо химические реакции, идущие в мускулах. Таким образом, впервые удалось наблюдать развитие молекулярно-биологического процесса.