Валентні електрони, розташовані у самій зовнішній оболонці атома, відіграють важливу роль у керуванні хімічними реакціями та утворенні зв’язків з іншими атомами.
Але зображення цих частинок, коли вони виконують цю роботу, є складним. Не тільки валентні електрони неймовірно невеликі, вони також утворюють хімічні зв’язки в фемтосекундах - просто чотирильйонами секунди.
Тепер експеримент у Національній лабораторії прискорювача департаменту енергетики вперше поєднав передову технологію x - з різанням - імітації краю та теорії для зображення впливу руху валентного електрона в реальному часі протягом хімічної реакції.
Використовуючи надзвичайно яскраві x - імпульси променів з ультрашастного когерентного джерела світла SLAC (LCLS), мульти - інституційна команда відстежувала єдиний валентний електрон, як він керував дисоціацією водню з молекули аміаку.
Результати, опубліковані в журналіЛисти фізичного огляду, Може допомогти вченим краще зрозуміти хімію на фундаментальному рівні та краще контролювати результати хімічних реакцій. Ці знання, у свою чергу, можуть бути використані для розробки наступних матеріалів та технологій покоління.
Відстеження валентного електрона під час реакції
Вчені протягом багатьох років намагалися відстежувати рухи одного електрона протягом хімічної реакції. Однак зображення цієї подорожі була невловима на декількох рівнях, оскільки було важко виділити одиночні електрони з багатьох електронів в атомі, і це також неможливо було зробити протягом надзвичайно швидкого часового масштабу, на якому відбуваються хімічні реакції.
У SLAC дослідницька група вирішила спробувати новий підхід, який передбачав як теорію, так і експерименти. Використовуючи потужність lcls, x - ray laser, вони використовували час - вирішено x - розсіювання променів - форма зображення на атомному рівні та в межах фемтосекунд, яка є достатньою для відстеження електронів -дистрибуції -}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}.
Команду очолювали Іан Габальський, доктор філософії. Студент Стенфордського університету, професор Філіп Баксбаум з Інституту пульсу Стенфорда, і Нанна Ліс, доцент кафедри теоретичної хімії в Королівському технологічному інституті KTH, Швеція, та в Університеті Бірмінгем, Великобританія Габальський керував експериментом та даними, тоді перестановка.
Щоб відстежувати вплив руху електронів, команда створила корпус високого - аміак щільності і збуджувала його ультрафіолетовим лазером. Коли лазер проходив через газ, x - промені від LCL вдарили електронів і розкидані назад. "І все це відбувається протягом 500 фемтосекунд", - сказав Габальський.
У більшості молекул основні електрони, які щільно пов'язані з атомами, перевищують зовнішні валентні електрони. Але в невеликих і легких молекулах, таких як аміак, який складається з атома азоту та трьох атомів водню, валентні електрони значно перевищують основні електрони. Це означає, що сигнал розсіювання променів x - від валентних електронів досить сильний, щоб відстежувати їх і "побачити", як вони рухалися, а також висновок про положення атомів.
Вчені вже знали, що фотокасований аміак розвивається зі структури, в якій атоми азоту та водню утворюють піраміду до тієї, в якій всі атоми лежать у площині. Врешті -решт, один із гідрогенів відривається від цієї планарної геометрії та фрагментів молекули. Завдяки їх техніці розсіювання променів x - дослідники змогли зобразити рух електрона, який керував цим ядерним перестановкою.
Розрахунки списку були ключовими для інтерпретації даних. "Зазвичай нам доводиться зробити висновок про те, як валентні електрони рухаються під час реакції, а не бачити їх безпосередньо, але тут ми могли б насправді спостерігати за тим, як їх перестановка розгортається через прямі вимірювання", - сказав Ліс. "Це була дуже приємна співпраця між теорією та експериментом".
Слідом за різними шляхами хімічної реакції
Відстеження руху валентних електронів також забезпечує вікно на різні шляхи, які можуть приймати хімічні реакції, керовані електронним рухом.
"Якщо ви намагаєтесь синтезувати молекулу для нового фармацевтичного або матеріалу, ці хімічні реакції завжди розгалужуються як на бажані, так і на небажані шляхи", - сказав Габальський. "Коли це не йде так, як ти хочеш, це створює побічні продукти. Тож, якщо ти розумієш, як це працює, то ти можеш розібратися, як керувати цією реакцією в потрібному напрямку. Це може бути дуже потужним інструментом для хімії загалом".
Команда сподівається продовжувати вдосконалювати свої методи для зйомки ще кращих зображень, особливо з ще більш потужними x - променями променів після недавнього оновлення LCLS.
"Ми могли бачити ці валентні електронні сигнали в морі основного електронного фону, який відкриває багато нових напрямків", - сказав список. "Це було доказом концепції, який підштовхнув нас до того, щоб спробувати побачити речі, які ми не змогли побачити раніше".
