Робин Мэйн Хохштрассер ( англ. Robin Main Hochstrasser ; 4 января 1931 , Эдинбург , Шотландия — 27 февраля 2013 , Пенсильвания , США ) — американский учёный физико-химик шотландского происхождения. Являлся основоположником молекулярной спектроскопии, а также внёс значительный вклад в лазерную химию.

Профессор Университета Пенсильвании (1968) , Почётный Доктор Эдинбургского Университета (2013), член Национальной Академии Наук (1982).

Биография

Робин Мэйн Хохштрассер родился и получил образование в Эдинбурге (Шотландия). Его школьное образование было неполным, так как в 15 лет он покинул школу, когда его семья собиралась переехать в Бельгию, но через несколько месяцев вернулась обратно. В 1948 году в возрасте 17 лет он сдал вступительные экзамены в колледж, получив при этом превосходные оценки по математике и химии, несмотря на то, что так и не окончил школу. В 1952 он получил степень бакалавра в Университете Хериот-Ватт в Шотландии, и в 1955 степень доктора философа (PhD) в области химии в Эдинбургском Университете . Он написал диссертацию на тему фотохимических явлений на поверхности . Пройдя двухгодичный период срочной службы в Королевских ВВС в ранге офицера-пилота, он изучил основы электроники связанные с высотными радарами. В течение двух лет службы в Королевских ВВС Хохштрассер получил соответствующую степень по математике, которая помогла ему получить серьезный опыт в области прикладной математики и написать учебник по теории групп . Он начал работать в Университете Британской Колумбии в 1957 году в качестве преподавателя, а в 1960 стал доцентом. В 1963 году перешёл в Университет Пенсильвании , где в 1983 году стал профессором физических наук.

С 1971 года Хохштрассер был редактором «Ресурса сверхбыстрых лазерных исследований» ( англ. Ultrafast Laser Research Resource ), а в 1978 году был назначен руководителем Региональной Лаборатории лазерных и биомедицинских исследований, спонсируемой Национальным институтом здравоохранения для развития и применения модернизированных лазерных технологий для проблем биомедицины. С 1975 по 2012 год Хохштрассер являлся редактором журнала «Химическая Физика» ( англ. Chemical Physics ) .

Ранние годы

Хохштрассер в начале работы в Университете Пенсильвании основал свою научную группу в новой Лаборатории изучения структуры вещества. Спектроскопия многоатомных молекул была развивающейся областью в 1960-х годах, что в свою очередь обещало возможность характеризовать электронную структуру и ядерных силовых полей, которые определяют геометрию молекул, свойства и соотношение измерений с теоретическими расчетами. Первоначальная работа Хохштрассера была сконцентрирована на изучении молекулярных кристаллов , где внутримолекулярные взаимодействия и силы превосходили более чем на порядок магнитные межмолекулярные взаимодействия. Он осознал, что модель ориентированного газа, которая пренебрегает всеми межмолекулярными взаимодействиями , является хорошей аппроксимацией нулевого порядка молекулярного кристалла. Относительно низких энергетических состояний ароматических молекул, гетероциклов, и других сопряженных систем, сложность спектров значительно снижалась и анализ упрощался благодаря записи спектров ориентированных простых кристаллов с поляризованным светом при низких температурах.

Хохштрассер проводил оптические эксперименты в Национальной магнитной лаборатории в Массачусетском Технологическом Университете и впервые рассмотрел в 1965 году расщепление Зеемана в спектрах молекулярных кристаллов . Затем он распространил эти измерения для многих других молекул. Процесс требовал выращенного монокристалла толщиной несколько сантиметров, бездефектное охлаждение до температуры жидкого гелия , и переноса всей оптической настройки в магнитную лабораторию. Таким образом, он мог определить пару орбитальных спинов и симметрию возбужденного синглетного состояния и раскрыть новые перспективы для изучения триплетного состояния. С самого начала Хохштрассер интересовался происхождением форм линий, рассмотренных в молекулярных спектрах в конденсированной фазе . Он относил проблему взаимодействия между возбужденными состояниями в молекулах[5], рассматривая её как спектральные возмущения и взаимодействие с окружающей средой .

Научные исследования

Исследования в области лазерной химии

В 1969 году Хохштрассер оборудовал первый лазер на основе с частотой повторения один импульс в минуту, предназначенный для измерений с постоянным временным разрешением. Первые измерения с постоянным временным разрешением использовали различные гармоники лазера на основе неодимовой линзы в качестве возбуждения и пробного импульса. Спектры с временными интервалами записывались фотографически с помощью продолжительного сгенерированного лазером импульса для поглощения или оптической ячейки Керра . Но 95 % исследуемого времени тратилось на настройку и контроль лазера. Хохштрассер много работал, чтобы получить достоверные результаты. В результате информация о переносе энергии между триплетными состояниями была получена для различных молекул. По данной теме первые работы были опубликованы в начале 1970-х годов .

После создания легко настраиваемых узко-лучевых лазеров появились новые направления в исследованиях . Вскоре Хохштрассер со своими коллегами сконструировал один из подобных лазеров, после чего они записали первые двухфотонные спектры кристалла дифенила с высоким разрешением, а затем спектры бензола в твердой и газовой фазе . Первый ротационно разрешенный двуфотонный спектр был рассмотрен с использованием оксида азота при низких давлениях .

Лазеры с возможностью настройки открыли возможность селективного возбуждения молекул в ансамбле, а также передачу определённых энергетических состояний молекуле, инициирование и изучение селективных процессов. Хохштрассер со своим коллегой Амосом Смитом использовал тетразин и производные в кристаллическом бензоле и инертных газовых матрицах для демонстрации селективного изотопического фото-разрушения и достижения изотопического обогащения фактора более чем в 10 ⁴ раз , для выяснения пути реакции и демонстрации спиновой селективности реакции. Позже диссоциация производного этой молекулы была использована как запуск структурных изменений в биологических молекулах .

Исследования в области когерентных нелинейных и сверхбыстрых процессов

Хохштрассер интересовался доступом к информации о свойствах возбужденного состояния и релаксационных процессов . В сотрудничестве с пенсильванским коллегой Дэвидом Уайтом, он охарактеризовал когерентный распад колебательных возмущений в простом двухатомном кристалле N ₂ и H ₂ и развил теоретические концепции, которые стали важными для понимания этих процессов в крупных молекулах, кристаллах и в растворах . В тот период времени было немного известно о временах релаксации колебаний в больших молекулах. Следовательно, подобное открытие не очень скоро могло бы произойти в молекулярных кристаллах ароматических молекул . Хохштрфссер показал высокий отбор данных релаксационных процессов в чистых и изотопических смешанных кристаллах, после чего данная информация являлась основой для создания теоретических моделей . Времена когерентного затухания были получены с помощью анализа форм линий и прямого измерения времени. Таким образом, были получены поразительные результаты: время когерентного затухания при 606 см ⁻¹ кристалла бензола возросло с 95 пс до 2,62 нс в кристаллах, сделанных из чистого С-12 изотопа .

В течение 1980-х годов Хохштрассер исследовал множество других различных направлений для использования когерентных нелинейных оптических процессов и развивал соответствующие теоретические методы изучения свойств возбужденного состояния и релаксационных процессов: передачи энергии и релаксационных процессов электронных, колебательных, вращательных состояний и рассеяние энергии, а также химические реакции. Он использовал технику сверхбыстрых лазерных импульсов, чтобы изучить колебательные взаимодействия в ИК-диапазоне . Хохштрассер развил идею комбинации сверхкоротких видимых импульсов лазера для возбуждения молекулы высоко разрешенным лучом из непрерывного диодного лазера, чтобы записать колебательные спектры различных переходов. Он достиг разрешения времени с помощью преобразования ИК, обеспечив принцип неопределенности с ограничением времени и спектральное разрешение, где охват времени наложен движением системы, изучаемой не только лазерными приборами . Эти методы позволили ему определить в гемо-группе геометрию связи железо-углерод в процессе реакции диссоциации с высокой чувствительностью и точностью .

Двумерная инфракрасная спектроскопия

В своих экспериментах Хохштрассер использовал узкополосное настраиваемое инфракрасное излучение и широкополосный пробный ИК импульс, что было эквивалентно эксперименту ЯМР с двойным резонансом . Данное применение к амидам в третичных пептидах показало, как может быть получено взаимодействие амидных групп и их частотный вклад, устанавливая способ для определения структуры с помощью 2D ИК спектроскопии . Ещё два направления нуждались в разработке фазово-изолированной 2D ИК спектроскопии для общего использовании- настройки эхо фотона и определения гетеродина.. Хохштрассер продолжил представлять «двух-цветовой» 2D ИК, аналогичный гетеромолекулярному ЯМР, и 2D ИК химического обмена. Позже этот метод позволит производить сверхбыстрых (пикосекунды) динамических систем в равновесии, подвергающихся тепловым химическим процессам таким как разрыв или создание Н-Н связи, как было описано в его начальной работе.

Применение в биохимии

В последние два десятилетия жизни Хохштрассера его применения в 2D ИК были связаны со структурой и динамикой пептидов и протеинов . Его интерес к протеинам появился вместе с теорией поляризационной абсорбции простых кристаллов в геме протеинов . Два фактора привлекали его в этих экспериментах. Кристаллы гемо протеинов предоставляли пример почти идеального ориентированного газа хромофоров , как взаимодействие между гемо-группами, которые чрезвычайно слабы из-за больших расстояний между гемами, встроенными в структуру более крупной молекулы. Хохштрассер не только использовал результаты исследования, где он получил кристаллы ц-цитохрома , чтобы интерпретировать электронное происхождение широко изученной конформационно чувствительной абсорбционной связи, но и информацию по ориентации гемо группы из плоской абсорбции поляризованного света π-электронной системы порфирина, которая была полезна для кристаллографов в интерпретации первой карты электронной плотности ц-цитохрома. Основной его вклад в физическую химию протеинов начинается с его учения о фото-диссоциации лигандов в течение пикосекунд из гемо групп в гемоглобине и миоглобина. Используя неодимовый лазер, которому часто требуются недели настроек, из-за мучительно низкой скорости повторения при 0,01 Гц, он записал первый разрешенный в пикосекунды многоволновый абсорбционный спектр. За этой работой последовало его открытие сдвоенной рекомбинации кислорода и оксида азота .

Почести и награды

• 1952−1955 — Courtauld Scholar
• 1962−1967 — Член Фонда Альфреда Слоуна
• 1972 — Стипендия Гуггенхайма
• 1978 — Член Американского Физического Общества
• 1978 — Член Фонда Александра фон Гумбольдта
• 1981 — Премия Бурка
• 1982 — Член Национальной Академии Наук США
• 1982 — Член Американской Академии Наук и Искусств
• 1984 — Почётный Доктор наук Университета Хериот-Ватт
• 1986 — Лауреат Президентской премии Общества оптики и фотоники
• 1989 — Член Американского Оптического Общества
• 1990 — Philadelphia Section Award of the American Chemical Society
• 1990−2000 — National Institutes of Health Merit Award
• 1996 —
• 1996 — LICOR Award, University of Nebraska
• 1997 —
• 1998 —
• 1999 — Премия столетия (Королевское химическое общество)
• 2003 — Медаль Бенджамина Франклина
• 2005 — от Техасского университета A&M
• 2007 — A. H. Zewail Award in Ultrafast Science and Technology
• 2008 —
• 2010 — Pittsburgh Spectroscopy Award
• 2012 — Премия Лайнуса Полинга

Личная жизнь

В 1960 женился Кэрол Остби из Ванкувера, с которой он познакомился в университете.

Личные качества

Хохштрассер являлся креативным исследователем, так как неоднократно проводил полностью новые виды экспериментов, которые, по мнению его ровесников, являлись невозможными в это время. Результатом являлся непрерывный поток новаторских экспериментов и новых идей с начала 1960 годов вплоть до его смерти в 2013 .

Примечания

Ссылки

• William A. Eaton, Graham R. Fleming, H. Peter Trommsdorff. (англ.) // National Academy of Sciense . — 2016.