Elettroni tal-valenza, li jinsabu fil-qoxra l-iktar imbiegħda ta 'atomu, għandhom rwol importanti fis-sewqan ta' reazzjonijiet kimiċi u jiffurmaw bonds ma 'atomi oħra.
Imma l-immaġni ta 'dawn il-partiċelli hekk kif iwettqu dan ix-xogħol hija delikata. Mhux biss l-elettroni tal-valenza huma oerhört żgħar, iżda wkoll jiffurmaw bonds kimiċi fi ħdan femtoseconds - sempliċi kwadrilonths tat-tieni.
Issa, esperiment fil-Laboratorju Nazzjonali tal-Aċċeleratur SLAC tad-Dipartiment tal-Enerġija, għall-ewwel darba, ikkombina avvanzat X - Teknoloġija tar-raġġi ma 'qtugħ - simulazzjonijiet tat-tarf u teorija biex timmaġina l-impatt tal-moviment ta' elettron ta 'valenza f'ħin reali matul reazzjoni kimika.
Bl-użu ta 'x - impulsi tar-raġġi mill-ultrafast linac ta' SLAC Sors koerenti (LCLS), tim istituzzjonali multi - traċċat elettron ta 'valenza wieħed billi ggwida d-dissoċjazzjoni ta' l-idroġenu minn molekula ta 'l-ammonja.
Ir-Riżultati, ippubblikati fil-ġurnalIttri ta 'Reviżjoni Fiżika, jistgħu jgħinu x-xjenzati kemm jifhmu aħjar il-kimika fuq livell fundamentali u jikkontrollaw aħjar ir-riżultati tar-reazzjonijiet kimiċi. Dak l-għarfien, min-naħa tiegħu, jista 'jiġi sfruttat għad-disinn li jmiss - Materjali u teknoloġiji tal-ġenerazzjoni.
Traċċar ta 'elettron tal-valenza waqt reazzjoni
Ix-xjentisti ppruvaw għal snin biex jintraċċaw il-mozzjonijiet ta 'elettron wieħed matul reazzjoni kimika. Madankollu, l-immaġni ta 'dan il-vjaġġ kien elużiv fuq diversi livelli minħabba li kien diffiċli li jiġu iżolati elettroni singoli mill-ħafna elettroni fi ħdan atomu, u kien impossibbli wkoll li jsir dan fi ħdan l-iskala ta' żmien estremament mgħaġġla li fuqha jseħħu reazzjonijiet kimiċi.
Fi SLAC, tim ta 'riċerka ddeċieda li jipprova approċċ ġdid li kien jinvolvi kemm teorija kif ukoll esperimenti. Bl-użu tal-qawwa ta 'lcls, an x - laser ray, huma użaw il-ħin - solvuti x - ray tifrix - forma ta' immaġini fil-livell atomiku u fi ħdan femtoseconds li hija sensittiva biżżejjed biex issegwi d-distribuzzjoni tal-elettroni - u qabblu t-teknika.
It-tim kien immexxi minn Ian Gabalski, Ph.D. Student fl-Università ta ’Stanford, il-Professur Philip Bucksbaum fl-Istitut ta’ Stanford Pulse, u Nanna List, professur assistent tal-kimika teoretika fl-Istitut Irjali tat-Teknoloġija KTH, l-Isvezja, u fl-Università ta ’Birmingham, ir-Renju Unit Gabalski mexxew l-esperiment u l-analiżi tad-dejta, filwaqt li l-Lista pprovdiet it-teorija u s-simulazzjonijiet li t-tnejn ggwidaw l-għażla ta’ reazzjoni u aktar tard ipprovdew il-paragun taċ-ċavetta arranġament mill-ġdid tal-elettroni.
Biex jintraċċa l-impatt tal-moviment tal-elettroni, it-tim ħoloq magħluq ta 'ammonja għolja ta' - densità u eċċitatha bil-lejżer ultravjola. Hekk kif il-laser għadda mill-gass, x - raġġi mill-LCLs laqtu l-elettroni u mxerrdin lura. "U l-ħaġa sħiħa tiġri matul 500 femtosekonda," qal Gabalski.
Fil-biċċa l-kbira tal-molekuli, l-elettroni tal-qalba, li huma marbuta sewwa mal-atomi, jegħlbu l-elettroni tal-valenza ta 'barra. Iżda f'molekuli żgħar u ħfief bħall-ammonja, li tikkonsisti minn atomu tan-nitroġenu u tliet atomi ta 'idroġenu, l-elettroni tal-valenza jegħlbu ħafna l-elettroni tal-qalba. Dan ifisser li s-sinjal tat-tifrix tar-raġġi X - mill-elettroni tal-valenza huwa b'saħħtu biżżejjed biex jintraċċawhom u "jaraw" kif imxew waqt li jiddeduċi wkoll il-pożizzjonijiet ta 'l-atomi.
Ix-xjentisti diġà kienu jafu li l-ammonja photexcited tevolvi minn struttura li fiha l-atomi tan-nitroġenu u l-idroġenu jiffurmaw piramida għal waħda li fiha l-atomi kollha jinsabu fi pjan. Eventwalment, wieħed mill-idroġeni joħroġ minn din il-ġeometrija planari u frammenti l-molekula. Bit-teknika ta 'tifrix tar-raġġi X -, ir-riċerkaturi setgħu jimmaġinaw il-moviment tal-elettroni li saq dan l-arranġament mill-ġdid nukleari.
Il-kalkoli tal-lista kienu importanti għall-interpretazzjoni tad-dejta. "Normalment irridu niddeduċu kif l-elettroni tal-valenza jiċċaqalqu waqt reazzjoni aktar milli narawhom direttament, imma hawnhekk nistgħu naraw l-arranġament mill-ġdid tagħhom jiżvolġi permezz ta 'kejl dirett," qal List. "Kienet kollaborazzjoni sabiħa ħafna bejn it-teorija u l-esperiment."
Wara mogħdijiet differenti ta 'reazzjoni kimika
It-traċċar tal-moviment tal-elettroni tal-valenza jipprovdi wkoll tieqa fil-mogħdijiet differenti li r-reazzjonijiet kimiċi jistgħu jieħdu, immexxija mill-moviment elettroniku.
"Jekk qed tipprova tissintetizza molekula għal farmaċewtika jew materjal ġdid, dawk ir-reazzjonijiet kimiċi dejjem sejrin għall-fergħa kemm fil-mogħdijiet mixtieqa u mhux mixtieqa," qal Gabalski. "Meta ma tmurx kif trid, toħloq prodotti sekondarji. Allura, jekk tifhem kif jaħdem, allura tista 'tidher kif tidderieġi dik ir-reazzjoni fid-direzzjoni li trid. Jista' jkun għodda qawwija ħafna għall-kimika b'mod ġenerali."
It-tim jittama li jkompli jirfina t-tekniki tagħhom biex jaqbad immaġini saħansitra aħjar, speċjalment b'ħafna aktar qawwija X - Ray raġġi wara l-aġġornament reċenti tal-LCLS.
"Stajna naraw dawn is-sinjali tal-elettroni tal-valenza fl-isfond tal-Baħar tal-Elettroni tal-qalba, li jiftaħ ħafna toroq ġodda," qalet List. "Kienet prova tal-kunċett li ġiegħelna nippruvaw naraw affarijiet li ma konniex kapaċi naraw qabel."
