Все, что происходит на уровне молекул и атомов, происходит настолько быстро, что это невозможно увидеть без использования сверхскоростных лазеров или других приемов. Происходящее во время химических реакций также попадает в эту категорию, но ученым из Гарвардского университета удалось произвести “самую холодную” химическую реакцию, охладив молекулы до малых долей градуса выше абсолютного нуля. И это позволило им увидеть и снять на видео то, что никто никогда не видел ранее – процесс обмена атомами между молекулами.
Абсолютный ноль (-273.15 градусов Цельсия, 0 Кельвинов) считается самой холодной возможной температурой, при которой все движение атомов и молекул полностью останавливается и в этих молекулах и атомах не остается “ни крупинки” тепловой энергии. В своих исследованиях Гарвардские ученые охладили молекулы до миллионных долей градуса выше абсолютного нуля, до 500 наноКельвинов, если быть точнее. Эта температура ниже любой температуры естественного происхождения, в самых холодных областях межзвездного пространства температура держится на уровне 3 Кельвинов.
Столь низкая температура была создана в камере эксперимента Cold Atom Lab, расположенного на борту Международной Космической Станции (МКС), который предназначен для проведения экспериментов при температурах около 100 наноКельвинов. В данном случае до столь низкой температуры охлаждался “газ”, в состав которого входят атомы калия и рубидия. Когда молекулы такого газа сталкиваются, они обмениваются одним атомом, что приводит к появлению двух новых молекул, одной с двумя атомами калия и второй – с двумя атомами рубидия.
В обычных условиях такие реакции протекают очень быстро, ученым удавалось лишь отметить факт исчезновения двух оригинальных молекул и появление двух новых молекул. Происходящее же между этими двумя этапами оставалось загадкой до последнего времени. Однако охлаждение до ультранизкой температуры позволило замедлить эту реакцию в миллионы раз, что, в свою очередь, дало возможность рассмотреть и запечатлеть все происходящее.
Оказывается, что при столкновении двух молекул рубидия-калия образуется одна промежуточная молекула, состоящая из двух атомов рубидия и двух атомов калия. После этого ученым удалось увидеть, как “ломаются” атомарные связи в этой молекуле и она принимает новую форму, разделяясь, в конце концов, на две новые независимые молекулы.
Исследователи считают, что подобный подход позволит им в будущем изучить механику химических реакций в еще больших подробностях. Более того, технология низкотемпературного замедления позволит проводить такие реакции, которые невозможно проводить в нормальных условиях и даже при более высоких, но еще очень низких теsaмпературах. Это, в свою очередь, позволит синтезировать новые лекарственные препараты, новые материалы для электроники, квантовых технологий и множество других полезных вещей.