В этом месяце умер крупнейший учёный в области физической химии, «отец» фемтохимии Ахмед Зивайл (Zewail). Он родился в 1946 в Египте, в 1969 г. окончил Александрийский университет, затем перебрался в Америку и бОльшую часть жизни трудился в Калтехе. Разработал методы исследования переходных состояний химических реакций с помощью фемтосекундной спектроскопии — научился следить за превращениями молекул в реальном масштабе времени. В 1999 году награждён Нобелевской премией.

В рубрике «Новости науки» в ХиЖ (2000, № 1) я писал о нобелевских лауреатах 1999 года, в том числе по химии:

За основополагающие работы в области фемтохимии награжден 53-летний американец египетского происхождения Ахмед Зивайл. Он младший коллега Лайнуса Полинга в Калтехе, преемник его кафедры химической физики и, как отмечают, блестящий лектор.

Сам лауреат поясняет суть получивших признание достижений так: ученые освоили как бы сверхскоростную киносъемку химических процессов, тем самым выявляя ранее скрытые их детали, — примерно так же, как скоростная фотосъемка скачущей галопом лошади еще в прошлом веке позволила установить, что есть моменты, когда все четыре ее ноги находятся над землей.

Сейчас физики умеют получать лазерные импульсы длительностью менее 5 фемтосекунд (1 фс = 10^-15 с) и уже приближаются к аттосекундным (1 ас = 10^-18 с). Последовательно подавая их с интервалом в 10—100 фс, можно экспериментально изучать ход реакций в реальном времени, то есть с таким пространственно-временным разрешением, который соответствует этапам перестроек молекул. А значит, у химиков появилась  возможность спектроскопически исследовать молекулярную динамику, получить доступ к святая святых каждой реакции — ее переходному состоянию, которое раньше изучали только теоретически.

Но и это еще не все — под руководством Зивайла создана аппаратура, позволяющая наблюдать также геометрию промежуточного состояния. Для чего первый фемтоимпульс направляют на фотокатод, который генерирует сверхкороткий электронный пучок; одновременно другой импульс (от второго лазера) вызывает трансформацию химической системы в переходное состояние, и в этот момент в нее попадает пучок электронов, ускоренный сильным электрическим полем. Возникает дифракционная картина, расшифровка которой дает информацию о структуре молекул в переходном состоянии.

Хорошей иллюстрацией этих методов служит недавняя работа Зивайла с сотрудниками («PNAS USA», 1999, v. 96, р. 338). Проводя фотолиз молекул CF₂I—CF₂I, в результате которого образуются CF₂—CF₂ и I₂, они решили выяснить, как, через какие промежуточные стадии проходит реакция. Оказалось, что две связи С—I рвутся неодновременно — сначала (через 200 фс) одна, а затем (через 32 пс, то есть 32 000 фс) — вторая. Но какова структура промежуточного радикала CF₂I—CF₂, ведь она в принципе может быть двоякой:

(в этом месте был помещён рисунок, показывающий две возможных промежуточных конфигурации: в первой атом йода присоединён к одному атому углерода, а во второй он связан с обоими углеродными атомами)

Используя дифракцию электронов, удалось однозначно определить, что реализуется первая из них (без мостика).

Еще один эффект: с помощью фемтоимпульсов удается синхронизовать, сделать когерентными колебания в ансамбле исходно хаотически движущихся атомов и молекул. После этого, подавая с определенной задержкой точно подобранный по частоте, амплитуде и форме новый импульс, можно направить реакцию в одно, нужное исследователям русло и обеспечить избирательный выход требуемого продукта (см. «Новости науки», 1998, № 8). Простейший пример: молекулы диоксида хлора при одних параметрах управляющих импульсов распадаются на СIО и О, а при других — на СI и О₂.

Применение таких коротких и частых световых импульсов стало основой химии атомного разрешения, химии переходного состояния, когерентной химии — всех их объединяют понятием фемтохимии, открывшей новую эру в древней науке. Можно ожидать, что в ближайшие годы будут раскрыты многие тайны сложных и сверхбыстрых химических процессов, например фотосинтеза, ими научатся управлять. Наверняка эта Нобелевская премия — не последняя в лазерной химии.

*   *   *

В Египте Зивайл пользовался большой славой, там недавно открыли научный и образовательный центр его имени — «Zewail City of Science and Technology». Одно из высказываний учёного: «Терпимость была всегда характерна для большинства египтян, и я думаю, что это одна из причин того, что наша цивилизация просуществовала так долго, более 5000 лет».