Новый подход, который, правда, пока является еще только теоретической моделью, основан на применении концентрированного импульса излучения в терагерцевом диапазоне, который, опять же теоретически, может поднять температуру небольшого объема воды на несколько сотен градусов за милли- и даже пикосекунды.

В том случае, если возможности новой методики будут подтверждены экспериментально, она сможет стать новым инструментом, который сможет индуцировать протекание термически инициируемых реакций за точное время. А эта возможность, в свою очередь, позволило бы более эффективно изучить механизм химических реакций, а также научиться управлять их течением.

В новом исследовании Ориол Вендрелл (Oriol Vendrell) с коллегами использовал методы молекулярной динамики для теоретического моделирования того, как на воду может повлиять импульс излучения в терагерцевом диапазоне – типа электромагнитной волны, частота которой находится между частотами колебаний таких электромагнитных излучений, как инфракрасное излучение и микроволны. Поток такого излучения можно создать с помощью гиротрона, лазера на свободных электронов, в котором электроны, разогнанные до околосветовой скорости, высвобождают фотоны, пролетая между систему магнитов с изменяющейся полярностью.

Результаты моделирования предсказывают как возможность исключительно быстрого супернагрева воды, так и применения этого «терагерцового кипятильника» для слежения за протеканием химических реакций. (Рисунок из Angew. Chem., Int. Ed., 2013, DOI: 10.1002/anie.201305991)

Результаты моделирования показали, что импульсы терагерцового излучения генерируют сильные электромагнитные поля, которые поляризуют молекулы воды, изменяя прочность связывающей эти молекулы сетки водородных связей, что немедленно заставляет молекулы двигаться. Такая обработка, по словам Вендрелла, приводит к формированию кратковременного горячего и разупорядоченного состояния.

Супербыстрый кипятильник Вендрелла может нагревать объемы воды, не превышающие один нанолитр, однако небольшой объем компенсируется быстротой приготовления облака горячих молекул, которое образуется за время, меньше, чем миллисекунды. Такой подход может найти в различного рода экспериментах по изучению термических реакций. Одной заманчивой перспективой, например, является потенциально возможная синхронизация нагревающих импульсов терагерцового излучения с импульсами рентгеновского излучения, с помощью которых можно изучить реакцию. Такая синхронизация может дать исследователям возможность изучать реакции, проводя измерения через определенные интервалы времени.

Проверив и перепроверив результаты своих расчетов, Вендрелл с коллегами в настоящее время планирует проверить экспериментально свой новый метод. Исследователи планируют как изучить влияние импульсов терагерцового излучения на растворенные в воде низкомолекулярные соединения, так и возможность применения излучения для инициирования простых химических процессов, как, например, разрыв химических связей.

Источник: Angew. Chem., Int. Ed., 2013, DOI: 10.1002/anie.201305991