Valentsulektronid, mis asuvad aatomi välimises kestas, mängivad olulist rolli keemiliste reaktsioonide juhtimisel ja sidemete moodustamisel teiste aatomitega.
Kuid nende osakeste kujutamine selle töö tegemisel on keeruline. Valentsulektronid pole mitte ainult uskumatult väikesed, vaid moodustavad ka femtosekundites keemilisi sidemeid - pelgalt sekundi neljalda.
Nüüd on eksperiment energeetikaosakonna SLACi riikliku kiirendi laboratooriumis esimest korda ühendanud täiustatud x - kiirtehnoloogia - servasimulatsioonide ja teooria lõikamisega, et kujutada valentselektroni liikumist reaalajas kogu keemilise reaktsiooni vältel.
Kasutades eriti eredat x - kiirte impulsse SLACi ultrafast Linaci sidusast valgusallikast (LCLS), jälgis multi - institutsionaalne meeskond ühe valentse elektroni, kui see juhindus ammoniaagi molekulist vesiniku dissotsiatsiooni.
Tulemused, avaldatud ajakirjasFüüsilise ülevaate kirjad, võiksid aidata teadlastel keemilisel tasemel paremini mõista ja keemiliste reaktsioonide tulemusi paremini kontrollida. Neid teadmisi võiks omakorda kasutada järgmise - genereerimismaterjalide ja tehnoloogiate kujundamiseks.
Valentselektroni jälgimine reaktsiooni ajal
Teadlased on aastaid püüdnud jälgida ühe elektroni liikumist kogu keemilise reaktsiooni vältel. Selle teekonna kujutamine on siiski olnud mitmel tasandil, kuna üksikute elektronide eraldamine aatomi paljudest elektronidest on olnud keeruline ning see on olnud ka võimatu teha eriti kiire aja jooksul, millel keemilised reaktsioonid toimuvad.
SLAC -is otsustas uurimisrühm proovida uut lähenemisviisi, mis hõlmas nii teooriat kui ka katseid. Kasutades LCLS -i võimsust, X - kiirte laser, kasutasid nad aega - lahendatud x - kiirte hajumine - kujutise vorm aatomitasandil ja femtoseconds, mis on Elektronite levitamise ja 5 -aastaste jaoks tundlik.
Meeskonda juhtis doktorikraadi Ian Gabalski. Stanfordi ülikooli üliõpilane, professor Philip Bucksbaum Stanford Pulse Institute'is ja Nanna List, Rootsi Kth Royal Technology Institute'i teoreetilise keemia abiprofessor Nanna List, ja Birminghami ülikoolis Birminghami ülikoolis, Suurbritannia Gabalski juhtis katse ja andmete analüüsi, samas kui loendil oli teooria ja simulatsioonid, mis vastasid sellele, et mõlemad reaktsiooni valikul ja simulatsioonid nõuavad, et reaktsioonivaliku ja simulatsioonid olid vajalikud reaktsiooni valimise ja simulatsioonid, mis valivad reaktsiooni valimise ja simulatsioonid. ümberkorraldamine.
Elektroniliikumise mõju jälgimiseks lõi meeskond kõrge - tihedusammoniaagi korpuse ja erutas seda ultraviolettkiirguse laseriga. Kui laser läbib gaasi, tabasid X - kiired LCL -id elektronid ja hajusid tagasi. "Ja kogu asi juhtub 500 femtosekundi jooksul," sõnas Gabalski.
Enamikus molekulides ületavad tuumaelektronid, mis on tihedalt seotud aatomitega, väliste valentseelektrone. Kuid väikestes ja heledates molekulides nagu ammoniaak, mis koosneb lämmastikuaatomist ja kolmest vesinikuaatomist, ületavad valentselektronid tuumaelektroneid kaugelt. See tähendab, et X - kiirte hajumissignaal Valentsulektronidest on piisavalt tugev, et neid jälgida ja "näha", kuidas nad liikusid, tuletades samal ajal ka aatomite asukohti.
Teadlased teadsid juba, et fotoeksgatiivsed ammoniaagid arenevad struktuurist, milles lämmastiku ja vesinikuaatomid moodustavad püramiidi, milles kõik aatomid asuvad tasapinnas. Lõpuks puhkeb üks hüdrogeen sellest tasapinnalisest geomeetriast ja killustab molekuli. Oma x - kiirte hajutamise tehnikaga said teadlased pildistada elektronide liikumist, mis seda tuumaenergia ümberkorraldamist juhtis.
Loendi arvutused olid andmete tõlgendamisel võti. "Tavaliselt peame järeldama, kuidas valentselektronid reaktsiooni ajal liiguvad, selle asemel, et neid otse näha, kuid siin võiksime tegelikult jälgida, kuidas nende ümberkorraldamine otsese mõõtmise kaudu ilmneb," ütles List. "See oli väga tore koostöö teooria ja eksperimendi vahel."
Järgides erinevaid keemiliste reaktsioonide radasid
Valentsulektronide liikumise jälgimine annab akna ka erinevatele radadele, mida keemilised reaktsioonid võivad võtta, ajendatuna elektroonilisest liikumisest.
"Kui proovite sünteesida molekuli uue farmaatsia või materjali jaoks, lähevad need keemilised reaktsioonid alati hargnema nii soovitud kui ka soovimatutele radadele," ütles Gabalski. "Kui see ei lähe soovitud viisil, loob see kõrvalsaadusi. Nii et kui saate aru, kuidas see töötab, saate aru, kuidas seda reaktsiooni soovitud suunas juhtida. See võib olla väga võimas vahend keemia jaoks üldiselt."
Meeskond loodab jätkata oma tehnikate viimistlemist, et jäädvustada veelgi paremaid pilte, eriti veelgi võimsama X - kiirkiirega pärast hiljutist LCLS -i uuendamist.
"Me nägime neid valentselektronisignaale südamiku elektronide taustal, mis avab palju uusi võimalusi," ütles List. "See oli kontseptsiooni tõend, mis on ajendanud meid nägema asju, mida me pole varem näinud."
