Как ученые разбираются в том, что происходит на молекулярном уровне во время сверхбыстрых процессов, например, в пламени? За долю секунды одни химические соединения сменяются другими, и чтобы понять механизмы горения, нужно точно знать, какие молекулы там присутствуют.

Обычные методы измерения размеров молекул не успевают за такими скоростями, а оптические микроскопы слишком медленные и не могут различать объекты размером в нанометры.

Команда из Калтеха под руководством профессора Ли Хон Вана разработала новый метод — CUP²AI (Compressed Ultrafast Planar Polarization Anisotropy Imaging). Он позволяет наблюдать сверхбыстрые процессы в реальном времени, что полезно не только для изучения горения, но и в фармацевтике, нанотехнологиях и других областях. В статье в Nature Communications ученые показали, как с помощью CUP²AI можно визуализировать канцерогены в пламени и флуоресцентные молекулы в воде.

Как это работает

Метод основан на поляризации света — свойстве, которое показывает, в каком направлении колеблется световая волна. Когда лазер возбуждает молекулу, она испускает флуоресцентный свет, и его поляризация зависит от ориентации молекулы.

Поляризация света — это направление, в котором колеблется электрическое поле световой волны. Если представить свет как веревку, которую трясут, то поляризация покажет, двигается она вверх-вниз или влево-вправо.

• Большие молекулы вращаются медленно, и их поляризация меняется плавно.
• Маленькие молекулы крутятся быстрее, и их сигнал затухает резче.

CUP²AI фиксирует эти изменения с невероятной скоростью, создавая двумерную карту распределения молекул за один снимок.

Если процесс быстрый, важно увидеть его целиком — в пространстве и времени, — объясняет Ван. — Наш метод позволяет это сделать.

Этот метод может:

• Улучшить КПД двигателей за счет точного анализа горения разных топлив.
• Снизить вредные выбросы, так как ученые смогут изучать образование токсичных веществ в реальном времени.
• Ускорить разработку лекарств, позволяя следить за взаимодействием молекул в динамике.

Хотя CUP²AI — прорыв, у него есть ограничения:

• Пока метод требует сложного оборудования и мощных лазеров.
• Точность может снижаться в очень плотных средах, где молекулы сталкиваются чаще.

Ранее ученые создали перестраиваемый оптический элемент.