Сильное электрическое поле вынудило молекулу аммиака перестать выворачиваться

Сильное электрическое поле вынудило молекулу аммиака перестать выворачиваться

Ученые из MIT и Сеульского университета исследовали поведение молекулы аммиака в матрице аргона в сильных электрических полях напряженностью до 200 миллионов вольт на метр. Оказалось, что в полях напряженностью выше 47 миллионов вольт на метр переходы между колебательными уровнями, благодаря которым молекула могла выворачиваться, не наблюдаются, так как внешнее поле ориентировало молекулу и дестабилизирует вывернутое состояние. Исследование, которое поможет лучше понять влияние электрических полей на поведение молекул, опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Молекула аммиака представляет собой треногу, в вершине которой находится атом азота. Подобно зонту на ветру, она может выворачиваться, и атом азота в этом случае оказывается по другую сторону плоскости, в которой находятся атомы водорода. Энергетический барьер, который разделяет два этих идентичных стационарных состояния достаточно высокий (около двух тысяч обратных сантиметров), однако колебания все равно наблюдаются, даже если энергии недостаточно, так как молекула способна туннелировать сквозь барьер и переходить в инвертированное состояние.

Для изучения нестабильных частиц или отдельных молекул удобно использовать метод матричной изоляции. При очень низких температурах (единицы кельвинов) исследуемые частицы оказываются изолированы друг от друга атомами инертного газа, и не взаимодействуют. Аммиак в подобных матрицах ведет себя аналогично поведению в газовой фазе, свободно вращается, однако существенно заполнены только низшие вращательные уровни.

Янгвук Парк (Youngwook Park) с коллегами из Сеульского университета проверили, будет ли происходить инверсия аммиака в поле сильного электрического поля. Для этого при температуре десять кельвин они поместили пленку из смеси исследуемого газа в аргоне, защищенную с двух сторон слоями чистого аргона, между электродами, включили постоянное электрическое поле напряженностью до 200 миллионов вольт на метр и зарегистрировали спектры поглощения и отражения в инфракрасной области, где можно идентифицировать колебательные переходы.

В условиях низких температур можно было наблюдать только одну достаточно интенсивную спектральную линию нужного перехода. С включением поля больше 13 миллионов вольт на метр на спектре появился еще один пик, а при дальнейшем увеличении напряжения два пика становились ближе и при значениях 47 миллионов вольт на метр объединились в один, который становился все более крупным и смещался в область высоких энергий с ростом напряжения. Уменьшая напряженность, исследователи наблюдали обратные процессы.

Действие сильного электрического поля ориентировало молекулу в матрице аргона по полю, создавая постоянный электрический дипольный момент молекулы. Взаимодействуя с диполем, электрическое поле стабилизировало одно состояние и дестабилизировало другое, инвертированное. Поверхность потенциальной энергии становилась все более несимметричной, а при высоких значениях поля молекула оказалась неспособна менять конформацию.

Симметричный (А) профиль потенциальной энергии молекулы аммиака с двумя минимумами без внешнего электричского поля и несимметричный (В) при наличии внешнего электрического поля. Цвета волновых функций показывают возможные переходы

По словам авторов, новое исследование приблизит к пониманию влияния электрических полей на подобные конформационные переходы в более сложных молекулах, а полученные спектры аммиака окажутся полезными для ученых, которым необходимо учитывать это влияние в своих экспериментах.

Туннелирование встречается даже в процессах, которые требуют разрыва химических связей. Польские ученые доказали, что это явление играет роль в таутомерии на примере превращения тиомочевины в форме тиола в тион.

Самые свежие новости медицины в нашей группе на Одноклассниках

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>