Dlaczego światło nie chciało uciekać z cieczy?
Ich autorska, zaawansowana metoda optyczna działa trochę jak stroboskop dla pojedynczych cząstek. Bardzo krótkie impulsy laserowe na chwilę „wyrywają” elektrony z ich orbit, a gdy wracają one na swoje miejsce, emitują charakterystyczne światło. Jego analiza odsłania dynamikę elektronów w czasie attosekund. Głównym wyzwaniem dla cieczy były dwa czynniki: silne pochłanianie generowanego światła oraz nieustanny, chaotyczny ruch molekuł, który zakłócał sygnał. Badacze poradzili sobie z tym, tworząc niezwykle cienką warstwę cieczy, co pozwoliło większej ilości światła wydostać się i zostać zarejestrowaną. To był klucz do pierwszych udanych obserwacji. Eksperymenty prowadzono z mieszaninami metanolu i różnych pochodnych benzenu, w których atom wodoru zastąpiono fluorem, chlorem, bromem lub jodem. Wyniki dla większości związków były zgodne z przewidywaniami. Wyjątkiem okazał się fluorobenzen.
Byliśmy naprawdę zaskoczeni, widząc, że roztwór fluorobenzenu z metanolem dał zupełnie inne wyniki niż inne roztwory. Nie tylko wydajność mieszaniny była znacznie niższa niż dla każdej cieczy z osobna, ale także stwierdziliśmy, że jedna harmonika została całkowicie stłumiona – wyjaśnia Lou DiMauro z Ohio State University
Tak głębokie wygaszenie było sygnałem zjawiska interferencji destruktywnej, czyli wzajemnego znoszenia się fal świetlnych. Coś w bezpośrednim otoczeniu emitujących elektronów aktywnie zakłócało cały proces. Symulacje komputerowe ujawniły przyczynę. Tylko fluorobenzen tworzył z metanolem specyficzne, uporządkowane połączenie poprzez wiązanie wodorowe z grupą O-H rozpuszczalnika.
Bariera z elektronów, która tłumaczy wszystko
Dalsze obliczenia teoretyczne potwierdziły mechanizm. Gęsta „chmura” elektronowa otaczająca atomy fluoru działała jak dodatkowa zapora dla przyspieszających elektronów, skutecznie zakłócając generację harmonicznych.
Dowiedzieliśmy się również, że stłumienie było bardzo wrażliwe na położenie bariery – oznacza to, iż szczegóły stłumienia harmonik niosą informacje o lokalnej strukturze, która powstała podczas procesu solwatacji – dodaje Sucharita Giri z Louisiana State University
Czytaj też: Dane wysyłane w bilionowej części sekundy. Światłowód wygląda przy tym jak relikt przeszłości
To fundamentalne spostrzeżenie. Pokazuje, że metoda jest niezwykle czuła na specyficzne oddziaływania między rozpuszczoną substancją a rozpuszczalnikiem, czyli na to, co dzieje się w mikroskopijnym otoczeniu molekuł. I choć realizacja potencjalnych zastosowań zajmie zapewne lata, to możliwości są wielkie. Wiele najważniejszych procesów, od działania enzymów po syntezę zaawansowanych materiałów, rozgrywa się w środowiskach ciekłych. Co więcej, energie badanych elektronów są zbliżone do tych odpowiedzialnych za uszkodzenia radiacyjne, co może kiedyś pomóc lepiej zrozumieć wpływ promieniowania na żywe komórki. Badanie w tej sprawie zostały opublikowane w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences. Ich wyniki pokazują nową, fascynującą ścieżkę. Zrozumienie, jak elektrony zachowują się w gęstych cieczach, może mieć w przyszłości znaczenie dla chemii, biologii czy inżynierii materiałowej. Nie jest to jeszcze gotowe narzędzie dla przemysłu, ale bez wątpienia mocny dowód na to, iż możemy zacząć podglądać najbardziej ulotne procesy tam, gdzie zawsze były dla nas niewidzialne – w płynnym świecie.