Valencijski elektroni, smješteni u najudaljenijoj ljusci atoma, igraju važnu ulogu u pokretanju kemijskih reakcija i formiranju veza s drugim atomima.
Ali slikanje ovih čestica dok izvode ovaj rad je škakljivo. Ne samo da su valentni elektroni nevjerojatno mali, već formiraju i kemijske veze unutar femtosekundi - puke kvadlione sekunde.
Sada, eksperiment u Laboratoriju SLAC -a Odjela za energetiku SLAC -a, prvi je put kombinirao naprednu X - Ray tehnologiju s rezanjem - rubnih simulacija i teorije kako bi se slikala utjecaj gibanja elektrona valencije u stvarnom vremenu tijekom kemijske reakcije.
Koristeći izuzetno svijetle x - impulse zraka iz SLAC -ovog ultra brze linac koherentne svjetlosti (LCLS), multi - institucionalni tim pratio je jedan valentni elektron dok je vodio disocijaciju vodika iz molekule amonijaka.
Rezultati, objavljeni u časopisuPisma fizičkog pregleda, mogli bi pomoći znanstvenicima da bolje razumiju kemiju na temeljnoj razini i bolje kontroliraju ishode kemijskih reakcija. To bi se znanje zauzvrat moglo iskoristiti za dizajn sljedeće - Materijali za generiranje i tehnologije.
Praćenje valentnog elektrona tijekom reakcije
Znanstvenici su godinama pokušavali pratiti pokrete jednog elektrona tijekom kemijske reakcije. Međutim, snimanje ovog putovanja bilo je neuhvatljivo na nekoliko razina, jer je bilo teško izolirati pojedinačne elektrone od mnogih elektrona unutar atoma, a to je također bilo nemoguće učiniti u iznimno brzoj vremenskoj skali na kojoj se odvijaju kemijske reakcije.
U SLAC -u je istraživački tim odlučio isprobati novi pristup koji je uključivao i teoriju i eksperimente. Koristeći snagu lcls, x - zraka laser, koristili su vrijeme - riješeno x - raspršivanje zraka - oblik snimanja na atomskoj razini i unutar Femtoseconds -a koji je dovoljan i distribucijama.
Tim je vodio Ian Gabalski, doktorat. Student na Sveučilištu Stanford, profesor Philip Bucksbaum na Stanford Pulse Institute, i Nanna List, docent teorijske kemije na KTH Royal Technology Institute, Švedskoj, te na Sveučilištu u Birminghamu, Velika Britanija Gabalski, dovela je do eksperimenta i dostavljenog u popisu, a popisu je i simulacije u estistiku o tome da je i simulacijama o tome da se navodi u izboru, i simulacije, i simulacija koja je bila na temelju eventacije, i simulacije koja je bila na temelju eventacije koja je u i simulacijama o tome da se vodili simulacija preuređenje.
Da bi pratio utjecaj pokreta elektrona, tim je stvorio kućište visokog - amonijaka gustoće i uzbuđivao ga ultraljubičastim laserom. Dok je laser prolazio kroz plin, x - zrake iz LCL -a udarale su u elektrone i raspršene natrag. "I cijela se stvar događa tijekom 500 femtosekundi", rekao je Gabalski.
U većini molekula jezgra elektroni, koji su čvrsto vezani za atome, nadmašuju vanjske valentne elektrone. Ali u malim i laganim molekulama poput amonijaka, koji se sastoji od atoma dušika i tri atoma vodika, valentni elektroni daleko nadmašuju jezgrene elektrone. To znači da je signal raspršivanja zraka x - iz valentnih elektrona dovoljno jak da ih prati i "vidi" kako su se kretali, a istovremeno zaključujući položaje atoma.
Znanstvenici su već znali da se fotoekscinirani amonijak razvija iz strukture u kojoj atomi dušika i vodika tvore piramidu u koju svi atomi leže u ravnini. Na kraju se jedan od hidrogena razbija od ove ravninske geometrije i fragmentira molekulu. Svojom tehnikom raspršivanja zraka x -, istraživači su mogli zamisliti pokret elektrona koji je pokrenuo ovo nuklearno preuređenje.
Izračuni popisa bili su ključni za tumačenje podataka. "Obično moramo zaključiti kako se valentni elektroni kreću tijekom reakcije, a ne da ih vidimo izravno, ali ovdje smo zapravo mogli gledati kako se njihovo preuređenje odvija izravnim mjerenjima", rekao je List. "Bila je to vrlo lijepa suradnja između teorije i eksperimenta."
Slijedeći različite puteve kemijske reakcije
Praćenje gibanja valentnih elektrona također pruža prozor u različite staze koje kemijske reakcije mogu krenuti, pokretane elektroničkim gibanjem.
"Ako pokušavate sintetizirati molekulu za novu farmaceutsku ili materijalu, te se kemijske reakcije uvijek razgranavaju u željene i neželjene puteve", rekao je Gabalski. "Kad to ne ide onako kako želite, to stvara nusprodukte. Dakle, ako razumijete kako to funkcionira, tada možete shvatiti kako usmjeriti tu reakciju u smjeru koji želi. To bi mogao biti vrlo moćan alat za kemiju općenito."
Tim se nada da će nastaviti usavršavati svoje tehnike kako bi snimili još bolje slike, posebno s još snažnijim X - zrakom zraka nakon nedavne nadogradnje LCLS -a.
"Mogli smo vidjeti ove valentne signale elektrona u moru jezgre elektrona, što otvara mnoge nove puteve", rekao je List. "Bio je to dokaz koncepta koji nas je potaknuo da pokušamo vidjeti stvari koje prije nismo uspjeli vidjeti."
