Валентните електрони, разположени в най -външната обвивка на атом, играят важна роля за задвижване на химичните реакции и образуването на връзки с други атоми.
Но изобразяването на тези частици, докато изпълняват тази работа, е сложно. Не само валентните електрони са невероятно малки, но и образуват химически връзки в рамките на фемтосекунди - просто квадрилионни от секунда.
Сега, експеримент в Националната лаборатория за ускорители на Министерството на енергията на Министерството на енергията за първи път комбинира Advanced X - Ray технология с рязане - симулации на ръба и теория, за да изобрази въздействието на движението на валентния електрон в реално време през химическата реакция.
Използвайки изключително ярки X - лъчевите импулси от ултрабърния източник на светлинна светлина на SLAC (LCLS), мулти - институционален екип проследява един валентен електрон, тъй като ръководи водородна дисоциация от молекула на амоняк.
Резултатите, публикувани в списаниетоПисма за физически преглед, биха могли да помогнат на учените както по -добре разбират химията на фундаментално ниво, така и по -добре да контролират резултатите от химичните реакции. Това знание от своя страна би могло да бъде използвано за проектиране на следващите материали и технологии за генериране и технологии.
Проследяване на валентен електрон по време на реакция
Учените от години се опитват да проследяват движенията на един електрон по време на химическа реакция. Въпреки това, изобразяването на това пътуване е неуловимо на няколко нива, тъй като беше трудно да се изолират единични електрони от многото електрони в рамките на един атом, а също така беше невъзможно да се направи това в рамките на изключително бързия график, върху който се осъществяват химически реакции.
В SLAC изследователски екип реши да изпробва нов подход, който включва както теория, така и експерименти. Използвайки силата на LCLS, X - лъч лазер, те използваха време - разрешено x - разсейване на лъчи - форма на изображения на атомното ниво и в рамките на femtoseconds, които са достатъчно чувствителни, за да проследят електрононовото разпределение - и сдвояват технологията, за да проследиха сирификацията {- и съчетават технологиите, за да проследиха сиреона.
Екипът беше воден от Иън Габалски, доктор на науките. 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 пренареждане.
За да проследи въздействието на Electron Motion, екипът създаде заграждение от амоняк с плътност - и го развълнува с ултравиолетов лазер. Докато лазерът премина през газа, X - лъчите от LCLS удариха електроните и се разпръснаха назад. "И цялата работа се случва в течение на 500 фемтосекунди", каза Габалски.
В повечето молекули основните електрони, които са плътно свързани с атомите, превъзхождат външните валентни електрони. Но в малки и леки молекули като амоняк, който се състои от азотен атом и три водородни атома, валентните електрони далеч превъзхождат основните електрони. Това означава, че X - сигнал за разсейване на лъчите от валентните електрони е достатъчно силен, за да ги проследи и „вижте“ как се движат, като същевременно извеждат позициите на атомите.
Учените вече знаеха, че фоторазмерният амоняк се развива от структура, в която азотните и водородните атоми образуват пирамида до такава, в която всички атоми лежат в равнина. В крайна сметка един от хидрогените се откъсва от тази равнинна геометрия и фрагменти на молекулата. Със своята техника за разсейване на лъчи x -, изследователите успяха да представят движението на електрон, което задвижва това ядрено пренареждане.
Изчисленията на списъка бяха ключови за интерпретирането на данните. "Обикновено трябва да заключим как валентните електрони се движат по време на реакция, а не да ги виждаме директно, но тук всъщност бихме могли да наблюдаваме как пренареждането им се разгръща чрез директни измервания", казва Списък. "Това беше много приятно сътрудничество между теория и експеримент."
След различни пътища за химическа реакция
Проследяването на движението на валентните електрони също осигурява прозорец в различните пътища, които химичните реакции могат да предприемат, задвижвани от електронното движение.
"Ако се опитвате да синтезирате молекула за нова фармацевтична или материал, тези химични реакции винаги ще се разклонят както по желаните, така и в нежелани пътища", каза Габалски. "Когато не върви по начина, по който искате, той създава странични продукти. Така че, ако разбирате как работи това, тогава можете да разберете как да насочите тази реакция в желаната посока. Това може да бъде много мощен инструмент за химия като цяло."
Екипът се надява да продължи да усъвършенства техниките си за заснемане на още по -добри изображения, особено с още по -мощни X - лъчеви лъчи след скорошното надграждане на LCLS.
"Можехме да видим тези валентни електронни сигнали в морето на основния електронен фон, което отваря много нови пътища", се казва в списъка. "Това беше доказателство за концепция, което ни подтикна да се опитаме да видим неща, които не успяхме да видим преди."
