Валентные электроны, расположенные во внешней оболочке атома, играют важную роль в управлении химическими реакциями и образованием связей с другими атомами.
Но визуализация этих частиц при выполнении этой работы сложно. Мало того, что валентные электроны невероятно малы, они также образуют химические связи в фемтосекундах - просто четырехлетию секунды.
Теперь эксперимент в Национальной лаборатории Accelerator Descelerator Desciety Descilement впервые объединил технологию Advanced x - Ray с резанием- моделирования края и теории, чтобы представить влияние движения валентного электрона в режиме реального времени на протяжении химической реакции.
Используя чрезвычайно яркие x - Импульсы лучей из ультрастадального источника света SLAC (LCLS), мульти - институциональная команда, отслеживая единый валентный электрон, когда она руководила диссоциацией водорода от молекулы аммиа.
Результаты, опубликованные в журналеПисьма о физическом обзоре, могут помочь ученым лучше понять химию на фундаментальном уровне и лучше контролировать результаты химических реакций. Это знание, в свою очередь, может быть использовано для разработки следующих материалов и технологий генерации-.
Отслеживание валентного электрона во время реакции
Ученые годами пытались отслеживать движения одного электрона на протяжении всей химической реакции. Тем не менее, визуализация этого путешествия была неуловимой на нескольких уровнях, потому что было трудно выделить отдельные электроны от многих электронов в атоме, и это также невозможно было сделать в течение чрезвычайно быстрой временной шкалы, на которой происходят химические реакции.
В SLAC исследовательская группа решила попробовать новый подход, который включал как теорию, так и эксперименты. Используя мощность LCLS, x - Laser Ray, они использовали время - разрешение x - Ray Scatatering - Форма изображений на атомном уровне и в пределах Femtoseconds, которые достаточно чувствительны, чтобы отслеживать дистрибуцию электронов {5} и сочетание.
Команду возглавлял Ян Габальски, доктор философии. Студент Стэнфордского университета, профессор Филип Баксбаум в Стэнфордском институте Пульс и Нанна, доцент теоретической химии в Королевском технологическом институте, Швеции, и в Университете Бирмингема, Великобритания Габальски руководил экспериментом и анализом данных, в то время как список предоставил теорию и симуляции, что обоих выбирал, и впоследствии был предназначен для того, чтобы внесли в пейс. перестройка.
Чтобы отслеживать влияние движения электронов, команда создала корпус высокого - аммиака плотности и возбудила его ультрафиолетовым лазером. Когда лазер проходил через газ, x - лучи от LCLS попали в электроны и разбросаны обратно. «И все это происходит в течение 500 фемтосекунд», - сказал Габальски.
В большинстве молекул основные электроны, которые тесно связаны с атомами, превосходят по численности электроны внешней валентности. Но в малых и световых молекулах, таких как аммиак, который состоит из атома азота и трех атомов водорода, валентные электроны намного превосходят по численности сердечника. Это означает, что x - сигнал рассеяния Ray из валентных электронов достаточно силен, чтобы отслеживать их и «увидеть», как они двигались, а также выводя позиции атомов.
Ученые уже знали, что фотоэкссбсуктированный аммиак развивается из структуры, в которой атомы азота и водорода образуют пирамиду, в которой все атомы лежат в плоскости. В конце концов, одна из гидрогенов отрывается от этой плоской геометрии и фрагментирует молекулу. С помощью их x - метода рассеяния лучей исследователи смогли представить движение электрона, которое привело к этой ядерной перестройке.
Расчеты Списка были ключом к интерпретации данных. «Обычно мы должны сделать вывод, как валентные электроны движутся во время реакции, а не видеть их напрямую, но здесь мы могли бы наблюдать, как их перестройка разворачивается посредством прямых измерений», - сказал Лист. «Это было очень хорошее сотрудничество между теорией и экспериментом».
Следуя различным путям химической реакции
Отслеживание движения валентных электронов также обеспечивает окно в различные пути, которые могут пройти химические реакции, приводящиеся в движение электронным движением.
«Если вы пытаетесь синтезировать молекулу для новой фармацевтической или материала, эти химические реакции всегда будут переходить как в желаемые, так и в нежелательные пути», - сказал Габальски. «Когда это не идет так, как вы хотите, это создает побочные продукты. Так что, если вы понимаете, как это работает, вы можете выяснить, как управлять этой реакцией в том направлении, которое вы хотите. Это может быть очень мощным инструментом для химии в целом».
Команда надеется продолжать уточнить свои методы, чтобы запечатлеть еще лучшие изображения, особенно с еще более мощными x - лучей после недавнего обновления LCLS.
«Мы могли видеть эти валентные электронные сигналы в море основного электронного фона, который открывает множество новых возможностей», - сказал список. «Это было доказательство концепции, которое заставило нас попытаться увидеть вещи, которые мы не могли видеть раньше».
