Electronii de valență, localizați în coaja cea mai exterioară a unui atom, joacă un rol important în conducerea reacțiilor chimice și formarea legăturilor cu alți atomi.
Dar imagistarea acestor particule pe măsură ce efectuează această lucrare este complicată. Nu numai că electronii de valență sunt incredibil de mici, ci formează și legături chimice în cadrul femtosecundelor - simple quadrillionth de secundă.
Acum, un experiment la Laboratorul de accelerație națională SLAC al Departamentului Energiei a combinat, pentru prima dată, tehnologia avansată X - cu tăiere - margine și teorie pentru a imagina impactul mișcării unui electron de valență în timp real pe parcursul unei reacții chimice.
Folosind impulsuri de raze X - de la sursa de lumină coerentă ultrarapi a SLAC (LCLS), o echipă instituțională multi -- a urmărit o singură electron de valență, deoarece a ghidat disocierea hidrogenului de o moleculă de amoniac.
Rezultatele, publicate în jurnalScrisori de recenzie fizică, ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine chimia la un nivel fundamental și să controleze mai bine rezultatele reacțiilor chimice. La rândul său, această cunoaștere ar putea fi valorificată pentru a proiecta următorul - materiale și tehnologii de generare.
Urmărirea unui electron de valență în timpul unei reacții
Oamenii de știință au încercat ani de zile să urmărească mișcările unui singur electron pe parcursul unei reacții chimice. Cu toate acestea, imagistica în această călătorie a fost evazivă pe mai multe niveluri, deoarece a fost dificil să se izoleze electroni singuri de mulți electroni dintr -un atom și a fost, de asemenea, imposibil de făcut acest lucru în interiorul perioadei extrem de rapide pe care au loc reacțiile chimice.
La SLAC, o echipă de cercetare a decis să încerce o nouă abordare care să implice atât teorie, cât și experimente. Folosind puterea LCL -urilor, un laser X - raze, au folosit timp - {Rezolvat x - Ray Scattering - o formă de imagistică la nivelul atomic și în interiorul femtosecond -urilor care este suficient de sensibilă pentru a urmări distribuția de electroni și teoria.
Echipa a fost condusă de Ian Gabalski, un doctorat. 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 rearanjare.
Pentru a urmări impactul mișcării electronilor, echipa a creat o incintă de amoniac de densitate ridicată - și a emoționat -o cu un laser ultraviolet. Pe măsură ce laserul a trecut prin gaz, razele X - de la LCL -uri au lovit electronii și s -au împrăștiat înapoi. „Și totul se întâmplă în decursul a 500 de femtosecunde”, a spus Gabalski.
În majoritatea moleculelor, electronii de miez, care sunt strâns legați de atomi, depășesc electronii de valență exterioară. Dar în molecule mici și ușoare precum amoniacul, care constă dintr -un atom de azot și trei atomi de hidrogen, electronii de valență depășesc cu mult electronii de miez. Asta înseamnă că semnalul de împrăștiere a razelor X - de la electronii de valență este suficient de puternic pentru a -i urmări și a „vedea” cum s -au mutat în timp ce deduceți și pozițiile atomilor.
Oamenii de știință știau deja că amoniacul fotoexcitat evoluează dintr -o structură în care atomii de azot și hidrogen formează o piramidă la una în care toți atomii se află într -un plan. În cele din urmă, unul dintre hidrogeni se desprinde de această geometrie plană și fragmentează molecula. Cu tehnica lor de împrăștiere a razelor X -, cercetătorii au reușit să imagineze mișcarea de electroni care a condus această rearanjare nucleară.
Calculele listei au fost esențiale pentru interpretarea datelor. "În mod normal, trebuie să deducem cum se mișcă electronii de valență în timpul unei reacții, mai degrabă decât să îi vedem direct, dar aici am putea urmări efectiv rearanjarea lor să se desfășoare prin măsurători directe", a spus List. „A fost o colaborare foarte frumoasă între teorie și experiment”.
Urmând diferite căi de reacție chimică
Urmărirea mișcării electronilor de valență oferă, de asemenea, o fereastră în diferitele căi pe care le pot lua reacțiile chimice, determinate de mișcarea electronică.
„Dacă încercați să sintetizați o moleculă pentru o nouă farmaceutică sau un material, aceste reacții chimice se vor ramifica atât pe căi dorite, cât și nedorite”, a spus Gabalski. "Când nu merge așa cum doriți, creează produse secundare. Deci, dacă înțelegeți cum funcționează acest lucru, atunci vă puteți da seama cum să direcționați acea reacție în direcția pe care o doriți. Ar putea fi un instrument foarte puternic pentru chimie în general."
Echipa speră să continue să -și perfecționeze tehnicile pentru a surprinde imagini și mai bune, în special cu raze X - după recentele upgrade LCLS.
"Am putut vedea aceste semnale de electroni de valență în marea fundalului de electroni de bază, care deschide multe noi căi", a spus List. „A fost o dovadă a conceptului care ne -a împins să încercăm să vedem lucruri pe care nu le -am putut vedea până acum”.
