Фотосинтез в режиме нереального времени

Рентгеновский луч (розовым), «пробующий» положение заместителя углерода в кольцевой молекуле ароматического гетероцикла.

Один из римских легионов, славившийся скоростью своих переходов, носил название «Молниеносный». Его лагерь располагался на кончике итальянского «сапога» и контролировал Мессинский пролив, а вместе с ним и всю Сицилию. И нет ничего удивительного в том, что мы говорим об очень быстрых событиях как о молниеносных и при этом понимаем, что полет пуль проследить уже не можем, хотя и слышим их свист. Еще быстрее сгорает порох в казенной части винтовки или автомата. Мгновенно происходит и распад молекулы соли на составляющие ее ионы натрия и хлора, давая нам возможность определить, не пересолили ли мы суп…

Квантовая химия давно приучила нас, что присущие ей реакции протекают благодаря переходу электронов. Это особенно ярко видно на примере фотосинтеза, изучение которого интенсивно ведется уже более двух веков, но без особого успеха. Лишь недавно благодаря мощным лазерам с ничтожно малой длиной волны излучения стало ясно, что электрон, выбитый из атома марганца фотонами света, очень быстро передается все дальше и дальше от места своего рождения. Быстрота трансфера позволяет сохранить энергию его возбужденного состояния, благодаря чему он не релаксирует и осуществляет разделение воды на кислород и водород.

Кислород токсичен для клеток, поэтому выбрасывается в атмосферу, а протоны в атоме водорода заряжают клеточный энергоноситель – молекулу АТФ, энергия которого восстанавливает СО2. Так начинается невообразимое разнообразие органического мира. Все это ученые знают, но мы, купаясь в океане дармовой солнечной энергии, можем – в отличие от освоивших фотосинтез растений – уловить лишь малую часть ее…

Что же мешает приспособить процессы квантовой химии на службу человечеству и избавить его от энергетической зависимости от углеводородов? Это прежде всего фемтосекундные (10–15 с) скорости протекания химических реакций. Лишь относительно недавно в распоряжении ученых появились фемтосекундные лазеры, но и они не позволяют решить многие проблемы.

Есть сегодня уже и рентгеновские лазеры когерентного излучения, в основе которых лежит рентгеновское излучение, получаемое при отклонении потока свободных электронов. О рентгеновской составляющей знал уже Владимир Зворыкин, создавший в 1920-е годы электронно-лучевую трубку, в которой бегающий «зайчик» строил на передней панели, покрытой люминофором, изображение. При отклонении луча к периферии экрана в сторону зрителя шел прямой поток рентгена. Поэтому электронщики не советовали людям, и особенно детям, садиться ближе чем на 3 м от телевизора.

Кубическая кристаллическая форма молекул делает перовскит самым перспективным материалом для использования в солнечных панелях.  Иллюстрации Physorg

Линейный ускоритель свободных электронов (SLAC) дал возможность ученым Эдинбургского университета увидеть первый шаг химической реакции, начинающейся под действием света, наносящего «удар» по циклогексадиену, получаемому из сосновой смолы. А Стэндфордский университет представил в журнал Science результаты использования электронной камеры для выявления координированного «танца» электронов с ядрами атомов в молекуле пиридина, возбужденного светом. В обоих случаях было выявлено, что облако возбужденного электрона увеличивает объем как минимум в три раза за какие-то 30 фемтосекунд.

Все перечисленные успехи квантовой химии, полученные на уровне отдельных молекул и электронов, могут показаться оторванными от повседневных забот ученых. Но не следует забывать про океан световой энергии, легко и весьма продуктивно улавливаемой в молекуле хлорофилла с ее атомом марганца, вернее комплекса, в который он входит. Большие надежды на проникновение в тайны взаимодействия света с твердым веществом (Light-Solid State Interaction) возлагаются на изучение перовскитов, которые уже сегодня используются в солнечных батареях. Но их КПД преобразования солнечной энергии в электрическую пока оставляет желать лучшего. Поэтому ученых так волнует трансфер электронов, «подталкиваемых» фотонами света.