Химические реакции между молекулами, взаимодействия белков и лигандов — все подобные события можно считать реально существующими. Но ведь своими глазами их до сих пор никто не видел, и ни одна камера не может снять видеозапись события, которое длится миллионные миллиардных долей секунды. Впрочем, скоро мы наверняка сделаем первые такие записи.
Молекулярное кино: Фемтосекундная выдержка
Слева – два изображения микроструктуры, символизирующей Бранденбургские ворота, получены с промежутком 50 фемтосекунд. Справа – так выглядела полученная голограмма до расшифровки

Подходящий для этого инструмент представлен недавно немецкими учеными — по их словам, это первый значительный шаг к созданию настоящего «молекулярного кино», интервал между кадрами которого сравним со временем взаимодействия между молекулами. А время это и в химии, и в биологии обычно имеет порядок фемтосекунд.

В принципе, сделать отдельный кадр с такой мгновенной выдержкой уже возможно, но следующий кадр уже потребует либо обнуления ячеек светочувствительной матрицы, либо использования следующей матрицы — и все эти технические процессы занимают на много порядков больше времени. В итоге мы получим размытое изображение, растянувшееся на очень большой (с точки зрения взаимодействующих молекул) срок.

Физики из Германии нашли средство преодолеть эти сложности. Конечно, их «камера» работает не в видимом диапазоне волн, слишком длинноволновом для молекулярного уровня. Вместо этого использован рентгеновский лазер — можно сказать, что отдельные его импульсы выполняют роль открытия затвора камеры; каждому импульсу соответствует один кадр. Пока что таким инструментом удалось заснять довольно крупную структуру, размерами порядка микрометров, но авторы обещают добиться и нанометрового разрешения. Тем более, что главного — фемтосекундной выдержки — достичь им уже удалось.

Для этого два последовательных отраженных от образца рентгеновских импульса записываются на одну и ту же голографическую пластину. Но прежде импульс разделяется на два отдельных так, чтобы второй запаздывал относительно первого всего на 0,00000000000005 с. Именно таким получается время, разделяющее отдельные кадры, информация о которых с помощью математических алгоритмов «выделяется» из структуры полученной голограммы.

«За этот временной интервал, — говорит один из авторов работы, студент Кристиан Гюнтер (Christian Günther), — Даже луч света успевает пролететь расстояние, меньшее толщины человеческого волоса».

Теперь, после успешного апробирования технологии, ученые намерены перейти к более коротковолновой части рентгеновского спектра, чтобы работать с более миниатюрными объектами. В конечном итоге они хотят, все-таки, снять первое в истории «молекулярное кино», на котором мы воочию увидим ход протекания химической реакции. А в итоге — сможем непосредственно наблюдать движение и взаимодействие молекул и наноразмерных структур, что называется, «в режиме реального времени».

Ну а о том, как устроены голограммы, как их снимают, и почему они выглядят трехмерными, читайте: «В полном объеме».

По пресс-релизу Helmholtz Zentrum Berlin