FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ......
Transcript of FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ......
![Page 1: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/1.jpg)
FEMTOHEMIJA
NOVE FIZIĈKOHEMIJSKE METODE
MILENA PETKOVIĆ
![Page 2: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/2.jpg)
![Page 3: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/3.jpg)
reakciona koordinata
ene
rgij
a
PRAĆENJE TOKA HEMIJSKE REAKCIJE
![Page 4: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/4.jpg)
“Rođenje” ultrabrze tehnologije
Konj u pokretu (The horse in motion)
Fotograf: Edvard Majbridž (Eadweard Muybridge)
Palo Alto, Kalifornija 1872 1878.
![Page 5: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/5.jpg)
“Rođenje” ultrabrze tehnologije
Seli Gardner u galopu - animirano 2006.
na osnovu Majbridžovih fotografija
![Page 6: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/6.jpg)
Cilj:“film” koji prikazuje položaj jezgara
u toku hemijske reakcije
http://www.xfel.eu/media/
![Page 7: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/7.jpg)
Ahmed Zewail – Nobel lecture
![Page 8: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/8.jpg)
TEHNOLOGIJA MOLEKULSKIH SNOPOVA1986 – Nobelova nagrada za hemijuDudley Robert Herschbach, Yan T. Lee & John C. Polanyi
Hamlet!
A + B C
![Page 9: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/9.jpg)
PRELAZNO STANJE
vreme života ≈ 10 - 100 fs
reakciona koordinata
reaktanti
proizvodi
prelazno stanje
![Page 10: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/10.jpg)
![Page 11: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/11.jpg)
“In less than a trillionth of a second, atoms cancollide, interact and give birth to molecules. Withlasers and molecular beams, it is now possible towitness the motions of molecules as one substancechanges to another.”
Ahmed Zewail
![Page 12: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/12.jpg)
FEMTOSEKUNDNI LASERI
![Page 13: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/13.jpg)
KAŠNJENJE PROBA PULSA
c = 3 · 108 m/s
Δl = 1 μm Δ t = (1 · 10-6 m)/(3 · 108 m/s) = 3,33 · 10-15 s = 3,33 fs
Δl = 100 μm Δ t = (1 · 10-4 m)/(3 · 108 m/s) = 3,33 · 10-13 s = 333 fs
![Page 14: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/14.jpg)
Promena u spektru - “otisak prstiju” atoma u pokretu
![Page 15: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/15.jpg)
Elementarni fenomeni: • prelazna stanja• preraspodela energije• brzine hemijskih reakcija
Hemijske veze: • kovalentne• jonske• dativne• metalne• vodonične veze• vandervalsovski kompleksi
Dimenzije molekula: • dvoatomski molekuli• ...• DNK i proteini
Stanja molekula: • osnovno i pobuđena stanja• neutralne čestice i joni
![Page 16: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/16.jpg)
TEORIJSKI PRISTUP
![Page 17: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/17.jpg)
TEORIJSKI PRISTUP
vremenski zavisna Šredingerova jednačina
ttH
t
ti
ˆ
t
![Page 18: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/18.jpg)
ttH
t
ti
ˆ
tVHtH ˆˆˆ0
PERTURBACIONI RAĈUN
tE
i
kk
kkk
k
et
EH
0ˆ
perturbacija(laserski puls)
k
tEi
kk
k
kk
k
ectct
![Page 19: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/19.jpg)
ULTRAKRATKI LASERSKI PULS
tet T
t
cosˆˆ2
2
0εε 00
mm EE
ttV εμ ˆˆˆ
ε̂
t
![Page 20: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/20.jpg)
narrow spectrum
continuous wave (CW)
broader spectrum
pulses (mode-locked)
broadest spectrum
shortest pulses
bandwidthDn
durationDt
DnDt = const.
OSNOVNI PRINCIPI ULTRABRZIH LASERA
![Page 21: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/21.jpg)
HAJZENBERGOVARELACIJA NEODREĐENOSTI
2
DD tE
vreme
vreme
frekvencija
frekvencija
E
S1
S0
![Page 22: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/22.jpg)
TRADICIONALNA I ULTRABRZA SPEKTROSKOPIJA
tradicionalna spektroskopijaT
ultrabrza spektroskopijaT 0
tt cos0εε tet T
t
cos2
2
0εε
monohromatsko zračenje širok opseg frekvencija
![Page 23: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/23.jpg)
ULTRABRZA SPEKTROSKOPIJA (1)
osnovno elektronsko stanje pobuđeno elektronsko stanje
0,0,ˆ
0,,
,ˆ,
0
0
xExH
extx
txHt
txi
kkk
tEi
kk
kk
k
0,0,ˆ
0,,
,ˆ,
0
0
xExH
extx
txHt
txi
nn
tEi
nn
nn
n
n
nncx 00000, 0
![Page 24: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/24.jpg)
ULTRABRZA SPEKTROSKOPIJA (2)
n
nnc 0000 0
000 0mmc
n
nn 0000 0
n
tEi
nn
n
nn
n
ett 00000 00
![Page 25: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/25.jpg)
ULTRABRZA SPEKTROSKOPIJA (3)
n
tEi
nn
n
et 000 0
txtx
m n
tEEi
nmnm
mn
exx 000000 00
DINAMIKA!
![Page 26: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/26.jpg)
PUMPA-PROBA METOD
pumpa
proba
![Page 27: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/27.jpg)
FOTODISOCIJACIJA DVOATOMSKOG MOLEKULA
![Page 28: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/28.jpg)
ICN
ICN ICN I + CN
![Page 29: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/29.jpg)
NaI
A. Mokhtari, P. Cong, J. L. Herek and A. H. Zewail, Letters to nature, 348 (1990) 225
![Page 30: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/30.jpg)
KONTROLA HEMIJSKE REAKCIJE
http://www. biofysisk.kemi.dtu.dk/Research/Physical/crd.aspx
![Page 31: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/31.jpg)
HOD*
H+OD
HO+D
N. Elghobashi, P. Krause, J. Manz and M. Oppel, PCCP, 5 (2003) 4806
eeggktHtH kk ,ˆˆ 0
t
t
tHtH
tHtH
t
t
ti
e
g
eeeg
gegg
e
g
ˆˆ
ˆˆ
)(
)0,()0,(
1
00
SHOD
vSHODvSHOD
UV
IR
ODH
DHO
HOD
![Page 32: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/32.jpg)
HOD*
H+OD
HO+D
N. Elghobashi, P. Krause, J. Manz and M. Oppel, PCCP, 5 (2003) 4806
![Page 33: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/33.jpg)
KONTROLA HEMIJSKE REAKCIJE
J. Michl and V. Nobačić-Koutecky, Electronic aspects of organic Photochemistry, John Wiley & Sons: New York, 1990
![Page 34: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/34.jpg)
INTRAMOLEKULSKA PRERASPODELA VIBRACIONE ENERGIJE
F. Gatti and H-D. Meyer, Chem. Phys. 301 (2004) 3
IVR – intramolecular vibrational energy redistribution
vCH = 5vCH = 1
![Page 35: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/35.jpg)
IC SPEKTRI – ASIGNACIJA TRAKA
M. Petković, Chem. Phys. 331 (2007) 438
stepen
slobode harm. anh. eksp.a
n1 1800 1766 1737
n2 1342 1314 1293
n3 828 820 809
n4 786 777 780
n5 731 719 711
n6 561 561 563
n7 436 431 434
n8 250 254 273
n9 135 158 122
n1
n2n3n4n6
n7
?
?
?
prelaz izr. eksp.b
? 1434 1424
? 1118 1119
? 993 988
frekvencija / cm-1
frekvencija / cm-1
dx
dy
a Orphal et al. J. Phys. Chem. A 101 (1997) 1062
b Miller et al. Spec. Acta 23A (1967) 223
![Page 36: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/36.jpg)
IC SPEKTRI – ASIGNACIJA TRAKA
= 1434 cm-1
= 1118 cm-1
= 993 cm-1
E5
E2E1,3,4,6-9
E6
E2E3
E4 E1,5,7-9
E6
E7
E3E2
E4
E1,5,8,9
![Page 37: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/37.jpg)
frekvencija / cm-1
IC SPEKTRI – ASIGNACIJA TRAKA
stepen
slobode harm. anh. eksp.a
n1 1800 1766 1737
n2 1342 1314 1293
n3 828 820 809
n4 786 777 780
n5 731 719 711
n6 561 561 563
n7 436 431 434
n8 250 254 273
n9 135 158 122
n1
n2n3n4n6
n72n5
2n6
n6+ n7
prelaz izr. eksp.b
2n5 1434 1424
2n6 1118 1119
n6+ n7 993 988
frekvencija / cm-1dx
dy
M. Petković, Chem. Phys. 331 (2007) 438
a Orphal et al. J. Phys. Chem. A 101 (1997) 1062
b Miller et al. Spec. Acta 23A (1967) 223
![Page 38: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/38.jpg)
REZIME
→ Ultrakratki pulsevi stvaraju talasni paket koji predstavlja superpoziciju stacionarnih stanja.
Ultrakratki pulsevi omogućuju direktno praćenje molekulskedinamike:
2/DD tE
kidanje i stvaranje molekulskih veza preraspodelu vibracione energije kontrolu hemijske reakcije asignaciju traka (spektroskopija) ...
![Page 39: FEMTOHEMIJA - Универзитет у Београду · PDF fileFEMTOHEMIJA NOVE ... Hemijske veze: •kovalentne •jonske •dativne •metalne •vodonične veze •vandervalsovski](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013120/5a70579e7f8b9aa7538bed80/html5/thumbnails/39.jpg)
PRIMENA
elementarne reakcije i prelazna stanja organska hemija reakcije prenosa elektrona i/ili protona reakcije organometalnih jedinjenja atmosferska hemija klasteri i nanostrukture gusti fluidi, tečnosti i polimeri kontrola hemijskih reakcija dinamika bioloških sistema ...