Chemie v reálném čase

Z vlastní zkušenosti mnohonásobného otce dobře vím, jak je těžké vyfotografovat právě narozené dítě. Vše se semele hrozně rychle, člověku se navíc třesou ruce a výsledkem jsou pak trochu rozmazané momentky potomků stáří několika desítek sekund. Letošní Nobelova cena za chemii byla udělena profesoru Kalifornské techniky Ahmedu Zewailovi za to, že se mu podařilo vyfotografovat zrození molekuly. K tomu je třeba mít nejen pevnou ruku, ale i „fotoaparát“ se závěrkou řádově 100 femtosekund (tj. 0,000 000 000 000 1 sekundy). Ano, čtete dobře a máte samozřejmě pravdu, že takový fotografický aparát neexistuje.

Zato existuje femtosekundový laser, což je přístroj, který dokáže generovat ultrakrátké světelné pulzy. Takové zařízení koncem 80. let postavili na Kalifornské technice právě pod vedením A. Zewaila a použili ho k pozorování chemických reakcí v reálném čase. Elementární procesy při chemických reakcích, jako je vznik a zánik chemických vazeb, probíhají neuvěřitelně rychle, typicky na časové škále pikosekund (1 ps = 0,000 000 000 001 s). Tradiční experiment je příliš pomalý a může tyto jevy studovat pouze nepřímo. Je to, jako kdybyste přišli na stadion před hokejovým utkáním, a potom až po něm, a snažili byste se uhodnout skóre a průběh zápasu z tváří odcházejících fanoušků. Ahmed Zewail se svou skupinou byl první, kdo dokázal přímo sledovat celé „utkání“ (chemickou reakci) a zaznamenat každou branku (vznik nebo zánik chemické vazby). Dal tak vzniknout novému oboru – femtochemii.

Ukazuje se, že při focení molekul je důležitá synchronizace, podobně jako když fotíte s bleskem. Synchronizace se dosáhne tak, že se ultrakrátký (kolem 100 fs) laserový pulz rozdělí na dva, přičemž jeden se vůči druhému definovaně zpozdí o stovky femtosekund až několik pikosekund. Zpoždění se dosáhne tak, že druhý paprsek necháme projít trochu delší dráhu (pro představu světlo za 100 fs urazí pouze 0,03 mm). První paprsek je absorbován molekulou, čímž spustí chemickou reakci. Druhý, zpožděný paprsek pak zkoumá, co se mezi dvěma záblesky stihlo udát. Uděláme-li sadu měření, kde budeme postupně měnit zpoždění mezi budicím a detegujícím zábleskem, dostaneme detailní obraz v reálném čase o průběhu zkoumaného chemického procesu.

Jaké chemické reakce se ve skupině profesora Zewaila studovaly a studují? Na Kalifornské technice zřejmě znají Komenského, neboť začali od těch nejjednoduších a skončili u velmi složitých. Koncem 80. let „nafotili“ roztržení jednoduché chemické vazby v malých molekulách (například jodidu sodného). Jako další studovali reakci atomu vodíku s oxidem uhličitým, která je důležitá při spalování. V následujících letech se zabývali složitějšími reakcemi, jako je kupříkladu abstrakce jodu z tetrafluordijodethanu anebo přeměna cyklobutanu na dvě molekuly etylenu. V poslední době se intenzivně zabývali cis-trans izomerizací stilbenu, což je model pro tak důležité procesy, jako je vidění nebo fotosyntéza.

Nejkratší laserový pulz, který jsme dnes schopni generovat, má délku asi 6 femtosekund. Má cenu se snažit dál pulzy zkracovat a dostat se tak do oblasti attosekund (1000 as = 1 fs)? Pokud studujeme chemické reakce, odpověď zní ne. Každá chemická reakce trvá alespoň několik desítek femtosekund a v tomto smyslu je femtochemie konečným nástrojem k jejich studiu. To ale neznamená, že v přírodě neprobíhají i rychlejší procesy. Skupiny, které se dnes zabývají vývojem attosekundových laserů, si brousí zuby na přímé pozorování například pohybu elektronů v molekulách, který je ještě o několik řádů rychlejší než atomární pohyby.

Signály, jež experimentátoři při femtochemickém měření zaznamenají, samozřejmě nejsou „normální“ fotky molekul, kde by kyslík byl třeba červená a vodík bílá kulička. Jde o křivku zachycující časovou závislost záření vznikající (nebo zanikající) molekuly, k jejíž správné interpretaci je toho třeba o studovaném chemickém sytému poměrně mnoho vědět. Zde se uplatní teoretici a počítačoví chemici tím, že počítají interakce mezi atomy v molekule, jakož i dynamiku atomárních pohybů. Loňská Nobelova cena udělená kvantovému chemikovi J. Popleovi (viz Vesmír 78, 73, 1999/2) spolu s tou letošní možná náhodou, ale přesto pěkně symbolizují spojení výpočtů a experimentu.