Valence Electrons, ki se nahajajo v najbolj oddaljeni lupini atoma, igrajo pomembno vlogo pri vožnji kemijskih reakcij in oblikovanju vezi z drugimi atomi.
Toda slikanje teh delcev, ko opravljajo to delo, je težavno. Valenčni elektroni niso samo neverjetno majhni, tvorijo tudi kemične vezi znotraj femtosekund - zgolj štirinožce sekunde.
Zdaj je eksperiment v nacionalnem laboratoriju za pospeševanje SLAC Ministrstva za Energy prvič združil napredno X - ray tehnologijo z rezanjem - simulacije in teorijo, da bi si v celotni kemični reakciji predstavljal vpliv gibanja valenčnega elektrona v realnem času.
Z uporabo izjemno svetlih x - žarkov iz SLAC -ovega ultrafaznega koherentnega svetlobnega vira Linac (LCLS) je institucionalna ekipa - institucionalna ekipa izsledila en sam valenčni elektron, ko je vodila disociacijo vodika iz amonijske molekule.
Rezultati, objavljeni v revijiPisma o fizičnem pregledu, lahko pomagajo znanstvenikom, da bolje razumejo kemijo na temeljni ravni in bolje nadzirajo rezultate kemijskih reakcij. To znanje bi bilo mogoče izkoristiti za oblikovanje naslednjih - generacije materialov in tehnologij.
Sledenje valenčni elektronu med reakcijo
Znanstveniki se že leta trudijo, da bi v kemični reakciji spremljali gibe enega samega elektrona. Vendar je slikanje te poti nedosegljivo na več ravneh, ker je bilo težko izolirati posamezne elektrone iz številnih elektronov znotraj atoma, prav tako pa je bilo nemogoče v izjemno hitrem časovnem merilu, na katerem potekajo kemične reakcije.
V SLAC se je raziskovalna skupina odločila, da bo preizkusila nov pristop, ki je vključeval tako teorijo kot eksperimente. Z uporabo moči lcls, x - ray laser, so uporabili čas - rešen x - razprševanje žarkov - oblika slikanja na atomski ravni in znotraj femtosecond, ki je dovolj občutljiva, da bi lahko spremljali elektronsko porazdelitev {{5}.
Ekipo je vodil Ian Gabalski, doktor znanosti. 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 preureditev elektronov.
Za sledenje vplivu gibanja elektronov je ekipa ustvarila ograjen prostor z visoko - gostoto amoniaka in ga navdušila z ultravijoličnim laserjem. Ko je laser prešel skozi plin, so X - žarki iz LCL -jev udarili po elektroni in raztreseni nazaj. "In celotna stvar se zgodi med 500 femtosekundami," je dejal Gabalski.
V večini molekul jedrna elektrona, ki so tesno vezana na atome, presegajo zunanje valenčne elektrone. Toda v majhnih in lahkih molekulah, kot je amonijak, ki ga sestavljajo dušikov atom in trije vodikovi atomi, valenčni elektroni daleč presegajo jedrne elektrone. To pomeni, da je X - signal za razprševanje žarkov iz valenčnih elektronov dovolj močan, da jih lahko spremlja in "vidi", kako so se premikali, hkrati pa sklepali o položajih atomov.
Znanstveniki so že vedeli, da se fotoakvizirani amonijak razvija iz strukture, v kateri dušikovi in vodikovi atomi tvorijo piramido do tiste, v kateri vsi atomi ležijo v ravnini. Sčasoma se eden od hidrogenov prekine od te ravninske geometrije in fragmente molekule. S svojo tehniko razprševanja žarkov X - so raziskovalci lahko predstavljali gibanje elektronov, ki je spodbudilo to jedrsko preureditev.
Izračuni seznama so bili ključni za razlago podatkov. "Običajno moramo sklepati, kako se valenčni elektroni premikajo med reakcijo, namesto da bi jih videli neposredno, toda tu bi lahko dejansko gledali, kako se njihova preureditev odvija z neposrednimi meritvami," je dejal List. "To je bilo zelo lepo sodelovanje med teorijo in eksperimentom."
Po različnih poteh kemijskih reakcij
Sledenje gibanju valenčnih elektronov zagotavlja tudi okno v različne poti, ki jih lahko vodijo kemične reakcije, ki jih poganja elektronsko gibanje.
"Če poskušate sintetizirati molekulo za novo farmacevtsko ali materialo, se bodo te kemijske reakcije vedno povezale tako na želene kot nezaželene poti," je dejal Gabalski. "Ko ne gre tako, kot želite, ustvarja stranske produkte. Torej, če razumete, kako to deluje, potem lahko ugotovite, kako usmeriti to reakcijo v smeri, ki jo želite. To bi lahko bilo zelo močno orodje za kemijo na splošno."
Ekipa upa, da bo še naprej izpopolnjevala svoje tehnike, da bi zajela še boljše slike, zlasti s še močnejšimi X - žarki po nedavni nadgradnji LCLS.
"Ti signali za valenčne elektronske signale smo lahko videli v morju osrednjega elektronskega ozadja, ki odpira številne nove poti," je dejal List. "To je bil dokaz koncepta, ki nas je spodbudil, da poskušamo videti stvari, ki jih še nismo mogli videti."
