http://93.174.130.82/news/shownews.aspx?id=8d9103c6-20c4-409a-9a7f-3c8733d602c9&print=1© 2024 Российская академия наук
На новосибирском лазере на свободных электронах получена генерация перестраиваемого по длине когерентного инфракрасного излучения. Это открывает новые перспективы для фундаментальных и прикладных исследований в области инфракрасной фотохимии.
Лазер построен на базе четырехоборотного электронного ускорителя-рекуператора. Первая его очередь была запущена в 2003 году, она работает в терагерцовой области от 270 до 90 микрон, вторая — в 2009 году (от 80 до 37 микрон), генерация на третьей впервые получена 6 июля в 14.50 на длине волны 9,6 микрон с возможной перестройкой в диапазоне 5 – 30 микрон — это уже инфракрасное излучение. «Мы, с одной стороны, решили физическую задачу — создали четырехоборотный ускоритель-рекуператор (что очень важно не только для лазера на свободных электронах, но и для решения других задач), а с другой — получили генерацию в диапазоне, интересном для инфракрасной фотохимии — одного из направления исследований Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН», — рассказывает советник РАН, директор Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения академик Геннадий Николаевич Кулипанов.
Вся современная инфракрасная фотохимия имеет в своей области только один мощный источник — СО2-лазер, использовать который можно не на все соединения, а лишь на те, чьи резонансные частоты подстроены под его длину волны. «Эту проблему очень хорошо иллюстрирует один старый анекдот, — комментирует Геннадий Николаевич. — В полночь, под фонарём ползает человек и ищет часы. Его спрашивает, ты здесь их потерял? Он отвечает — нет. — А почему тогда ищешь здесь? — Потому что здесь светло». Так и современная инфракрасная фотохимия пока развивается только «под фонарем СО2-лазера».
Перестраиваемые источники инфракрасного излучения сегодня существуют, но все они недостаточно мощные. Благодаря третьей очереди новосибирского лазера на свободных электронах теперь становится возможным подбирать длину волны под каждое конкретное соединение. Мощность же при этом сохраняется очень большая.
Для работы обычного лазера используется какое-либо «рабочее» вещество, которое всегда имеет определенный спектр излучения. В новосибирском ЛСЭ же применяется пучок электронов, движущийся в ондуляторе. Изменяя энергию электронов и параметры ондулятора, можно изменять по своему усмотрению длину волны излучения в очень широких пределах. Единственный недостаток такого прибора — большие размеры, что исключает его использование как настольного. Новосибирский ЛСЭ занимает площадь около тысячи квадратных метров. Зато средняя мощность его излучения — пятьсот ватт, физики надеются увеличить её до нескольких киловатт. Других источников перестраиваемого по длине волны когерентного субмиллиметрового и инфракрасного излучения такой мощности в мире до сих пор нет.
Инфракрасное излучение позволяет, возбуждая излучением определённую структурную группу в молекуле, ослабить тем самым существующие химические связи между атомами. Таким способом можно попытаться направить реакцию по пути, отличным от того, который был бы в обычных условиях. Либо, взяв смесь веществ с близкими химическими, но различными инфракрасными свойствами, и воздействуя инфракрасным излучением на молекулы одного компонента, можно заставить его вступить в реакцию с добавленным реагентом, в то время как другая составляющая соединения останется без изменения. Таким образом, в некоторых случаях с помощью лазера можно действительно управлять химическими процессами.
Эти исследования отличаются от привычной фотохимии тем, что энергия кванта излучения намного меньше энергии связи атомов в молекуле. «Для преодоления обозначенного противоречия есть два пути: многофотонное возбуждение, когда одна молекула поглощает так много энергии, что способна продиссоциировать, то есть распасться на химически активные фрагменты — свободные радикалы. Другой путь, который как раз осуществлялся в нашей лаборатории — это воздействие на реакции с малым активационным барьером, — говорит заведующий лабораторией лазерной фотохимии Института химической кинетики и горения СО РАН доктор химических наук Евгений Николаевич Чесноков. — Для многих реакций с участием свободных радикалов его величина сравнима с энергией кванта инфракрасного излучения, поэтому даже одноквантовое возбуждение молекулы помогает преодолеть этот барьер».
Энергетический барьер — это разность между средним энергетическим уровнем молекулы (та энергия, которой обладает большинство молекул системы в данный момент) и энергетическим уровнем реакции (запас энергии, которым должны обладать молекулы, чтобы их столкновение стало эффективным). Чем он больше, тем медленнее идет реакция.
Подход с применением одноквантового возбуждения выглядит предпочтительнее, поскольку предполагает более экономное использование лазерного излучения. Но реализовать его оказалось намного сложнее. Большинство работ по инфракрасной фотохимии используют именно многофотонное возбуждение и последующую диссоциацию молекул.
«Управлять химической реакцией путем одноквантового колебательного возбуждения удалось только в нашей лаборатории. В этих работах возбуждались колебания связи углерод – фтор, и скорость реакции увеличивалась в сотни раз. Хотелось бы продолжить исследования при возбуждении других химических связей, у которых частоты колебаний находятся в другой спектральной области (например, большинство органических молекул содержит связи кислород -углерод, колебания которых поглощают излучение на 6 – 8 мкм), раньше такой возможности у нас не было. Цель этих исследований — получить действительно новую фундаментальную информацию, узнать, за счет какой именно внутренней энергии молекула преодолевает активационный барьер реакции», — рассказывает Геннадий Кулипанов.
С прикладной стороны инфракрасное излучение открывает путь к проведению различного рода селективных процессов и созданию на их базе технологий очистки или разделения компонентов с близкими свойствами. Так, в предыдущих экспериментах Института химической кинетики и горения СО РАН удалось разделить с его помощью изотопы кремния. «Этот химический элемент, широко применяющийся в полупроводниковой промышленности, содержит 3 изотопа. Кристаллы же кремния, у которых он только один, обладают определёнными преимуществами: имеют более высокую теплопроводность и так далее», — комментирует Евгений Чесноков.
Химические исследования на третьей очереди ЛСЭ ещё не начались. Учёные пока только продемонстрировали работу лазера, измерили его мощность и длину волны, и сейчас готовятся к выводу излучения в экспериментальный зал. Предполагается, что реальные эксперименты (а возможно, и решение некоторых практических задач) должны начаться в следующем году.
Диана Хомякова, Наука в Сибири