Valenssielektronilla, jotka sijaitsevat atomin uloimmassa kuoressa, on tärkeä rooli kemiallisten reaktioiden ajamisessa ja sidosten muodostamisessa muiden atomien kanssa.
Mutta näiden hiukkasten kuvantaminen, kun ne suorittavat tämän työn, on hankala. Valenssielektronit eivät ole vain uskomattoman pieniä, vaan ne muodostavat myös kemiallisia sidoksia femtosekunnissa - vain sekunnin neljänneskirjoituksen.
Nyt Energy of Energy SLAC: n kansallisen kiihdytinlaboratorion koe on ensimmäistä kertaa yhdistänyt edistyneen X - sädeteknologian leikkaamalla - reunasimulaatioita ja teoriaa valenssielektronin liikkeen vaikutuksesta reaaliajassa koko kemiallisen reaktion ajan.
Käyttämällä erittäin kirkkaita x - säteilypulsseja SLAC: n ultrasopean Linac -koherentista valonlähteestä (LCLS), multi - institutionaalinen tiimi seurasi yhtä valenssielektronia, kun se ohjasi vedyn dissosiaatiota ammoniakkisolekyylistä.
Lehdessä julkaistut tuloksetFyysinen arvostelukirjeet, voisi auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin kemiaa perustasolla ja hallitsemaan paremmin kemiallisten reaktioiden tuloksia. Tämä tieto puolestaan voitaisiin valjastaa suunnitteluun seuraavaksi - generaatiomateriaalit ja tekniikat.
Valenssielektronin seuraaminen reaktion aikana
Tutkijat ovat yrittäneet vuosien ajan seurata yhden elektronin liikkeitä koko kemiallisen reaktion ajan. Tämän matkan kuvantaminen on kuitenkin ollut vaikeaa useilla tasoilla, koska yksittäisten elektronien eristäminen monista atomin elektroneista on ollut vaikeaa, ja se on myös ollut mahdotonta tehdä niin nopeaa aikataulua, jolla kemialliset reaktiot tapahtuvat.
SLAC: lla tutkimusryhmä päätti kokeilla uutta lähestymistapaa, joka sisälsi sekä teoriaa että kokeita. Käyttämällä LCLS: n, x - säteilaseria, he käyttivät aikaa - ratkaistu x - säteen sironta - kuvantamismuoto atomitasolla ja femtosekontien sisällä, joka on riittävän herkkä simulointia ja teoriaa.
Ryhmää johti tohtori Ian Gabalski. student at Stanford University, Professor Philip Bucksbaum at the Stanford PULSE Institute, and Nanna List, an assistant professor of theoretical chemistry at KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and at the University of Birmingham, UK Gabalski led the experiment and data analysis, while List provided the theory and simulations that both guided the choice of reaction and later provided the key comparison required to establish that the experiment had indeed captured valence electron rearrangement.
Elektroniliikkeen vaikutuksen seuraamiseksi joukkue loi korkean - tiheyden ammoniakin kotelon ja innosti sitä ultraviolettisella laserilla. Kun laser kulki kaasun läpi, X - säteet LCLS: stä osui elektroneihin ja hajallaan takaisin. "Ja koko asia tapahtuu 500 femtosekunnin aikana", Gabalski sanoi.
Useimmissa molekyyleissä ydinelektronit, jotka ovat tiiviisti sidottuja atomiin, ylittävät ulkoiset valenssielektronit. Mutta pienissä ja kevyissä molekyyleissä, kuten ammoniakki, joka koostuu typpiatomista ja kolmesta vetyatomista, valenssielektronit ylittävät huomattavasti ydinelektronit. Tämä tarkoittaa, että X - säteen sirontasignaali valenssielektroneista on riittävän vahva seuraamaan niitä ja "katso" kuinka ne liikkuivat samalla päättäessään atomien sijainnit.
Tutkijat tiesivät jo, että fotoeksoitu ammoniakki kehittyy rakenteesta, jossa typpi- ja vetyatomit muodostavat pyramidin sellaiseen, jossa kaikki atomit sijaitsevat tasossa. Lopulta yksi hydrogeista hajoaa tästä tasomaisesta geometriasta ja fragmentoi molekyylin. X - säteilyhajotustekniikallaan tutkijat pystyivät kuvaamaan elektroniliikkeen, joka ajoi tätä ydinaseista.
Lista laskelmat olivat avain tietojen tulkitsemiseen. "Yleensä meidän on pääteltävä, kuinka valenssielektronit liikkuvat reaktion aikana sen sijaan, että näkisimme ne suoraan, mutta tässä voimme tosiasiallisesti seurata heidän uudelleenjärjestelynsä avautuvan suorilla mittauksilla", List sanoi. "Se oli erittäin mukava yhteistyö teorian ja kokeilun välillä."
Erilaisten kemiallisten reaktioreittien jälkeen
Valenssielektronien liikkeen seuraaminen tarjoaa myös ikkunan eri poluille, joita kemialliset reaktiot voivat kulkea elektronisen liikkeen ohjaamana.
"Jos yrität syntetisoida molekyylin uudelle lääkkeelle tai materiaalille, nämä kemialliset reaktiot ovat aina haaroittuneita sekä haluttuihin että ei -toivottuihin reiteihin", Gabalski sanoi. "Kun se ei mene haluamallasi tavalla, se luo sivutuotteita. Joten jos ymmärrät kuinka tämä toimii, voit selvittää, kuinka ohjata reaktio haluamaasi suuntaan. Se voi olla erittäin tehokas työkalu kemiaan yleensä."
Ryhmä toivoo jatkavansa tekniikoidensa tarkentamista entistä parempien kuvien sieppaamiseksi, etenkin vielä tehokkaammilla X - säteellä äskettäisen LCLS -päivityksen jälkeen.
"Voimme nähdä nämä valenssielektronisignaalit ydinelektronitaustan meressä, joka avaa monia uusia tapoja", List sanoi. "Se oli todiste konseptista, joka on pakottanut meidät yrittämään nähdä asioita, joita emme ole aiemmin nähneet."
