Τα ηλεκτρόνια σθένους, που βρίσκονται στο εξωτερικό κέλυφος ενός ατόμου, διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην οδήγηση χημικών αντιδράσεων και στη διαμόρφωση δεσμών με άλλα άτομα.
Αλλά η απεικόνιση αυτών των σωματιδίων καθώς εκτελούν αυτό το έργο είναι δύσκολο. Όχι μόνο τα ηλεκτρόνια σθένους είναι απίστευτα μικρά, επίσης σχηματίζουν χημικούς δεσμούς εντός των femtoseconds - απλών τετραγώνιων του δευτερολέπτου.
Τώρα, ένα πείραμα στο Εθνικό Εργαστήριο επιταχυντών του Τμήματος Ενέργειας έχει, για πρώτη φορά, συνδυασμένη τεχνολογία Advanced X - ακτίνων με κοπή - προσομοιώσεις άκρων και θεωρία για να εικόνες την επίδραση της κίνησης ενός ηλεκτρονίου σθένους σε πραγματικό χρόνο σε όλη τη χημική αντίδραση.
Χρησιμοποιώντας εξαιρετικά φωτεινό X - παλμούς ακτίνων από το Ultrafast Linac Cooke Light Source (LCLS) της SLAC, ένα Multi - θεσμική ομάδα παρακολούθησε ένα μόνο ηλεκτρόνιο σθένους καθώς καθοδήγησε την διάσπαση του υδρογόνου από ένα μόριο αμμωνίας.
Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικόΦυσικές επιστολές αναθεώρησης, θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τη χημεία σε θεμελιώδες επίπεδο και να ελέγξουν καλύτερα τα αποτελέσματα των χημικών αντιδράσεων. Αυτή η γνώση, με τη σειρά της, θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για να σχεδιάσει το επόμενο - Υλικά και τεχνολογίες.
Παρακολούθηση ηλεκτρονίου σθένους κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης
Οι επιστήμονες προσπάθησαν εδώ και χρόνια να παρακολουθήσουν τις κινήσεις ενός μόνο ηλεκτρονίου σε όλη τη χημική αντίδραση. Ωστόσο, η απεικόνιση αυτού του ταξιδιού ήταν αόριστη σε διάφορα επίπεδα, επειδή ήταν δύσκολο να απομονωθεί μεμονωμένα ηλεκτρόνια από τα πολλά ηλεκτρόνια μέσα σε ένα άτομο και ήταν επίσης αδύνατο να γίνει αυτό μέσα στο εξαιρετικά γρήγορο χρονοδιάγραμμα σε ποια χημικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα.
Στο SLAC, μια ερευνητική ομάδα αποφάσισε να δοκιμάσει μια νέα προσέγγιση που αφορούσε τόσο τη θεωρία όσο και τα πειράματα. Χρησιμοποιώντας την ισχύ του LCLS, ένα x - ray λέιζερ, χρησιμοποίησαν το χρόνο - που επιλύθηκαν x -}}}} και ζευγαρωμένη με την τεχνική με την τεχνική και τη θεωρία και τη θεωρία.
Η ομάδα οδηγήθηκε από τον Ian Gabalski, Ph.D. Ο φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, ο καθηγητής Philip Bucksbaum στο Ινστιτούτο Pulse Stanford και ο Nanna List, ένας βοηθός καθηγητής θεωρητικής χημείας στο KTH Royal Institute of Technology, Sweden, και στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ, το Ηνωμένο Βασίλειο Gabalski οδήγησε το πείραμα και την ανάλυση δεδομένων, ενώ ο κατάλογος παρείχε τη θεωρία και τις προσομοιώσεις που καθοδηγούσαν την επιλογή του Melection and Mater Compelishison, αναδιάταξη.
Για να παρακολουθήσετε την επίδραση της κίνησης των ηλεκτρονίων, η ομάδα δημιούργησε ένα περίβλημα υψηλής αμμωνίας πυκνότητας- και την ενθάρρυνε με ένα υπεριώδες λέιζερ. Καθώς το λέιζερ πέρασε από το αέριο, οι ακτίνες x - από το LCLS χτύπησαν τα ηλεκτρόνια και διάσπαρτα πίσω. "Και το όλο θέμα συμβαίνει κατά τη διάρκεια των 500 femtoseconds", δήλωσε ο Gabalski.
Στα περισσότερα μόρια, τα ηλεκτρόνια πυρήνα, τα οποία συνδέονται στενά με τα άτομα, ξεπερνούν τα ηλεκτρόνια του εξωτερικού σθένους. Αλλά σε μικρά και ελαφριά μόρια όπως η αμμωνία, η οποία αποτελείται από ένα άτομο αζώτου και τρία άτομα υδρογόνου, τα ηλεκτρόνια σθένους ξεπερνούν κατά πολύ τα ηλεκτρόνια πυρήνα. Αυτό σημαίνει ότι το σήμα σκέδασης X -} από τα ηλεκτρόνια σθένους είναι αρκετά ισχυρό για να τα εντοπίσει και να "δει" πώς μετακόμισαν ενώ ταυτόχρονα συμπεραίνουν τις θέσεις των ατόμων.
Οι επιστήμονες γνώριζαν ήδη ότι η φωτοεξυπηρετημένη αμμωνία εξελίσσεται από μια δομή στην οποία τα άτομα αζώτου και υδρογόνου σχηματίζουν μια πυραμίδα σε μία στην οποία όλα τα άτομα βρίσκονται σε επίπεδο. Τελικά, ένα από τα υδρογόνα σπάει από αυτή την επίπεδη γεωμετρία και θραύσματα το μόριο. Με την τεχνική σκέδασης X - ακτίνων, οι ερευνητές μπόρεσαν να απεικονίσουν την κίνηση των ηλεκτρονίων που οδήγησε αυτή την πυρηνική αναδιάταξη.
Οι υπολογισμοί της λίστας ήταν το κλειδί για την ερμηνεία των δεδομένων. "Κανονικά πρέπει να συμπεράνουμε πώς κινούνται τα ηλεκτρόνια σθένους κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης αντί να τα βλέπουμε άμεσα, αλλά εδώ θα μπορούσαμε πραγματικά να παρακολουθήσουμε την αναδιάταξη τους να ξεδιπλώνεται μέσα από άμεσες μετρήσεις", δήλωσε ο List. "Ήταν μια πολύ ωραία συνεργασία μεταξύ θεωρίας και πειράματος."
Μετά από διαφορετικές οδούς χημικής αντίδρασης
Η παρακολούθηση της κίνησης των ηλεκτρονίων σθένους παρέχει επίσης ένα παράθυρο στις διαφορετικές διαδρομές που μπορούν να λάβουν οι χημικές αντιδράσεις, οδηγώντας από την ηλεκτρονική κίνηση.
"Εάν προσπαθείτε να συνθέσετε ένα μόριο για ένα νέο φαρμακευτικό ή υλικό, αυτές οι χημικές αντιδράσεις πρόκειται πάντα να διακλαδίζουν τόσο σε επιθυμητές όσο και σε ανεπιθύμητες οδούς", δήλωσε ο Gabalski. "Όταν δεν πηγαίνει ο τρόπος που θέλετε, δημιουργεί υποπροϊόντα.
Η ομάδα ελπίζει να συνεχίσει να βελτιώνει τις τεχνικές τους για να τραβήξει ακόμα καλύτερες εικόνες, ειδικά με ακόμα πιο ισχυρό x - ακτίνες ακτίνων μετά την πρόσφατη αναβάθμιση LCLS.
"Θα μπορούσαμε να δούμε αυτά τα σήματα ηλεκτρονίων σθένους στη θάλασσα του πυρήνα ηλεκτρονίων, το οποίο ανοίγει πολλές νέες λεωφόρους", ανέφερε ο κατάλογος. "Ήταν μια απόδειξη της έννοιας που μας ώθησε να προσπαθήσουμε να δούμε πράγματα που δεν μπορούσαμε να δούμε πριν."
