A valencia elektronok, amelyek egy atom legkülső héjában helyezkednek el, fontos szerepet játszanak a kémiai reakciók vezetésében és a kötések kialakításában más atomokkal.
De ezeknek a részecskéknek a képalkotása, amikor elvégzik ezt a munkát, bonyolult. A valencia elektronok nemcsak hihetetlenül kicsik, hanem kémiai kötéseket is képeznek a femtosekundumokon belül - egy másodperces négyzetköltségben.
Most egy kísérlet az Energiaügyi Minisztérium SLAC Nemzeti Gyorsító Laboratóriumában, először kombinálta az Advanced X - Ray technológiát a -}}} szélszimulációkkal és elmélettel, hogy a valencia elektron mozgásának valós időben történő hatását egy kémiai reakció alatt ábrázolja.
Rendkívül fényes X - Ray impulzusok felhasználásával a SLAC ultragyors Linac Coherent Fight Source (LCLS) segítségével, egy multi - intézményi csapat nyomon követte az egyetlen valencia elektronot, amikor az ammóni molekulából vezette a hidrogén -disszociációt.
A folyóiratban közzétett eredményekFizikai áttekintő levelek, Segíthet a tudósoknak egyaránt jobban megérteni a kémiát alapvető szinten, és jobban ellenőrizni a kémiai reakciók eredményeit. Ezt a tudást viszont felhasználhatják a következő - generációs anyagok és technológiák megtervezésére.
Valencia elektron nyomon követése egy reakció alatt
A tudósok évek óta próbálták nyomon követni egyetlen elektron mozgását egy kémiai reakció során. Ennek az utazásnak a képalkotása azonban számos szinten megfoghatatlan volt, mivel nehéz volt elkülöníteni az egyes elektronokat az atomon belüli sok elektronból, és ezt a rendkívül gyors időtartamon belül lehetetlen megtenni, amelyen a kémiai reakciók zajlanak.
A SLAC -nál egy kutatócsoport úgy döntött, hogy kipróbál egy új megközelítést, amely magában foglalja mind az elméletet, mind a kísérleteket. Using the power of LCLS, an X-ray laser, they used time-resolved X-ray scattering-a form of imaging at the atomic level and within femtoseconds that is sensitive enough to track the electron distribution-and paired the technique with advanced simulations and theory.
A csapatot Ian Gabalski, Ph.D. vezette. A Stanfordi Egyetem hallgatója, Philip Bucksbaum professzor a Stanford Pulse Institute -nál és a Nanna List, a Svédországi Kth Királyi Technológiai Intézet elméleti kémiai asszisztens professzora, valamint a Birminghami Egyetemen, az Egyesült Királyság Gabalski vezette a kísérlet és az adatok elemzését, miközben a lista ténylegesen megadta az elméletet és a szimulációkat, amelyek mindkettő irányították a reakció választását, és később megadta a kulcsfontosságú összehasonlítást, hogy a Kísérleti Kísérleti Kísérleti Kísérleti Kísérleti Kísérleti Kísérleti Kísérleti Kísérleti Kísérleti Kísérleti Kísérlet, míg az adatelemzés ténylegesen megadta a listát. átrendezés.
Az elektronmozgás hatásainak nyomon követése érdekében a csapat magas - sűrűségű ammóniát készített, és ultraibolya lézerrel izgatotta. Ahogy a lézer áthaladt a gázon, X - Az LCL -kből származó sugarak ütötték az elektronokat és szétszóródtak. "És az egész 500 femtosekundum során történik" - mondta Gabalski.
A legtöbb molekulában a mag elektronok, amelyek szorosan kötődnek az atomokhoz, meghaladják a külső valencia elektronokat. De olyan kicsi és könnyű molekulákban, mint az ammónia, amely nitrogénatomból és három hidrogénatomból áll, a valencia elektronok messze meghaladják a mag elektronokat. Ez azt jelenti, hogy az x - sugárszórási jel a valencia elektronokból elég erős ahhoz, hogy nyomon kövesse őket, és "lássa", hogyan mozogtak, miközben az atomok helyzetét is következtetik.
A tudósok már tudták, hogy a fotoexcelált ammóniát olyan szerkezetből alakulnak ki, amelyben a nitrogén- és hidrogénatomok piramisot képeznek egy olyanra, amelyben az összes atom síkban fekszik. Végül az egyik hidrogén elszakad ebből a sík geometriából, és a molekulát fragmentumokból. Az X - sugárszórási technikájukkal a kutatók képesek voltak ábrázolni az elektronmozgást, amely ezt a nukleáris átrendeződést hajtotta végre.
A lista számításai kulcsfontosságúak voltak az adatok értelmezéséhez. "Általában arra kell következtetnünk, hogy a valencia elektronok hogyan mozognak a reakció során, ahelyett, hogy közvetlenül látnánk őket, de itt láthatjuk, hogy az átrendeződésük közvetlen mérések révén bontakozik ki" - mondta List. "Nagyon szép együttműködés volt az elmélet és a kísérlet között."
Különböző kémiai reakciós útvonalakat követve
A valencia -elektronok mozgásának nyomon követése szintén ablakot biztosít a kémiai reakciók különböző útvonalaiba, amelyeket az elektronikus mozgás vezethet.
"Ha új gyógyszer- vagy anyagok molekuláját próbál szintetizálni, akkor ezek a kémiai reakciók mindig mind a kívánt, mind a nem kívánt utakba kerülnek" - mondta Gabalski. "Ha nem úgy megy, ahogy akarod, akkor melléktermékeket hoz létre. Tehát, ha megérti, hogyan működik, akkor kitalálhatja, hogyan kell ezt a reakciót a kívánt irányba irányítani. Ez általában nagyon hatékony eszköz lehet a kémia számára."
A csapat azt reméli, hogy továbbra is finomítja a még jobb képek rögzítésére szolgáló technikáikat, különösen a még erősebb X - Ray Beams -rel a legutóbbi LCLS frissítés után.
"Láthattuk ezeket a valencia elektronjeleket a Core Electron háttér -tengerben, amely számos új utat nyit meg" - mondta List. "Ez a koncepció bizonyítéka volt, amely arra késztett minket, hogy megpróbáljunk látni azokat a dolgokat, amelyeket még nem láthattunk."
