Valences elektroniem, kas atrodas atoma ārējā apvalkā, ir liela nozīme ķīmisko reakciju vadīšanā un saišu veidošanā ar citiem atomiem.
Bet šo daļiņu attēlošana, kad tās veic šo darbu, ir sarežģīta. Valences elektroni ir ne tikai neticami mazi, bet arī veido ķīmiskas saites femtosekundēs - tikai sekundes kvadriljonos.
Tagad Eksperimentam Enerģētikas departamenta SLAC nacionālās akseleratora laboratorijā pirmo reizi ir apvienota uzlabota x - staru tehnoloģija ar griešanu {- malu simulācijām un teoriju, lai attēlotu valences elektrona kustības ietekmi reālā laikā visā ķīmiskajā reakcijā.
Izmantojot ārkārtīgi spilgtu X - staru impulsus no SLAC Ultracast Linac koherenta gaismas avota (LCL), vairāku - institucionālā komanda izsekoja vienas valences elektronu, jo tā vadīja ūdeņraža disociāciju no amonija molekulas.
Rezultāti, kas publicēti žurnālāFiziskā pārskata vēstules, varētu palīdzēt zinātniekiem gan labāk izprast ķīmiju pamatlīmenī, gan labāk kontrolēt ķīmisko reakciju rezultātus. Šīs zināšanas, savukārt, varētu izmantot, lai izstrādātu nākamo - paaudzes materiālus un tehnoloģijas.
Valences elektronu izsekošana reakcijas laikā
Zinātnieki gadiem ilgi ir mēģinājuši izsekot viena elektrona kustībām visā ķīmiskās reakcijas laikā. Tomēr attēlveidošana šis ceļojums ir bijis nenotverams vairākos līmeņos, jo ir bijis grūti izolēt atsevišķus elektronus no daudzajiem atoma elektroniem, un arī to nav bijis iespējams izdarīt ārkārtīgi ātrā laika posmā, uz kuru notiek ķīmiskās reakcijas.
SLAC pētniecības komanda nolēma izmēģināt jaunu pieeju, kas ietvēra gan teoriju, gan eksperimentus. Izmantojot LCL jaudu, X {- Ray Laser, viņi izmantoja laiku -, izšķīdināja x - staru izkliedi - attēlveidošanas formu atomu līmenī un femtosekunās, kas ir pietiekami jutīga, lai izsekotu elektroniskos izplatībai -} un pārkārtot tehniku.
Komandu vadīja Ians Gabalskis, Ph.D. 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 pārkārtošana.
Lai izsekotu elektronu kustības ietekmi, komanda izveidoja augsta - blīvuma amonjaka iežogojumu un satraukti ar ultravioleto lāzeru. Kad lāzers iziet cauri gāzei, X - stari no LCL atsitās pret elektroniem un izkaisīja atpakaļ. "Un visa lieta notiek 500 femtosekundēs," sacīja Gabalskis.
Lielākajā daļā molekulu serdes elektroni, kas ir cieši saistīti ar atomiem, pārsniedz ārējo valences elektronus. Bet mazās un vieglas molekulās, piemēram, amonjakā, kas sastāv no slāpekļa atoma un trim ūdeņraža atomiem, valences elektroni ievērojami pārsniedz serdes elektronus. Tas nozīmē, ka X - staru izkliedes signāls no Valences elektroniem ir pietiekami stiprs, lai tos izsekotu, un "redzēt", kā viņi pārvietojās, vienlaikus secinot arī atomu pozīcijas.
Zinātnieki jau zināja, ka fotoeksponēts amonjaks attīstās no struktūras, kurā slāpekļa un ūdeņraža atomi veido piramīdu līdz tādai, kurā visi atomi atrodas plaknē. Galu galā viens no hidrogēniem atdalās no šīs plakanās ģeometrijas un fragmentē molekulu. Izmantojot viņu X - staru izkliedes paņēmienu, pētnieki varēja attēlot elektronu kustību, kas vadīja šo kodolieroču pārkārtojumu.
Saraksta aprēķini bija atslēga, lai interpretētu datus. "Parasti mums ir jāsecina, kā Valences elektroni pārvietojas reakcijas laikā, nevis redzot tos tieši, bet šeit mēs faktiski varētu noskatīties, kā viņu pārkārtošanās izvēršas tiešos mērījumos," sacīja saraksts. "Tā bija ļoti jauka teorijas un eksperimenta sadarbība."
Pēc dažādiem ķīmiskās reakcijas ceļiem
Valences elektronu kustības izsekošana arī nodrošina logu dažādos ceļos, kurus var veikt ķīmiskās reakcijas, ko virza elektroniskā kustība.
"Ja jūs mēģināt sintezēt molekulu jaunai farmaceitiskai vai materiālam, šīs ķīmiskās reakcijas vienmēr sazināsies gan ar vēlamajiem, gan nevēlamajiem ceļiem," sacīja Gabalskis. "Kad tas neiet tā, kā vēlaties, tas rada blakusproduktus. Tātad, ja jūs saprotat, kā tas darbojas, jūs varat izdomāt, kā vadīt šo reakciju vēlamajā virzienā. Tas varētu būt ļoti spēcīgs ķīmijas rīks kopumā."
Komanda cer turpināt uzlabot savus paņēmienus, lai uzņemtu vēl labākus attēlus, it īpaši ar vēl jaudīgākiem X - staru stariem pēc nesenā LCL jaunināšanas.
"Mēs varētu redzēt šos valences elektronu signālus Core elektronu fona jūrā, kas paver daudzas jaunas iespējas," sacīja saraksts. "Tas bija koncepcijas pierādījums, kas mūs pamudināja redzēt lietas, kuras mēs vēl neesam spējuši redzēt."
