אלקטרונים של Valence, הממוקמים בקליפה החיצונית ביותר של אטום, ממלאים תפקיד חשוב בהנעת תגובות כימיות ויצירת קשרים עם אטומים אחרים.
אבל הדמיה של החלקיקים האלה כשהם מבצעים יצירה זו היא מסובכת. לא רק שאלקטרונים של Valence הם קטנים להפליא, הם גם יוצרים קשרים כימיים בתוך femtoseconds - מרובעים בלבד של שנייה.
כעת, ניסוי במעבדת המאיץ הלאומי של SLAC של אנרגיה משלב לראשונה טכנולוגיית ריי, לראשונה, טכנולוגיית RAY מתקדמת X - RAY עם חיתוך - סימולציות ותיאוריה כדי לדמיין את ההשפעה של התנועה של אלקטרון Valence בזמן אמת לאורך כל תגובה כימית.
באמצעות X - פולסים קרניים ממקור האור הקוהרנטי האולטרה -פסט של SLAC (LCLS), צוות מוסדי רב {}} עקב אחר אלקטרון ערכי יחיד כאשר הוא הנחה את ניתוק המימן ממולקולת אמוניה.
התוצאות, שפורסמו בכתב העתמכתבי ביקורת פיזית, יכולים לעזור למדענים להבין טוב יותר את הכימיה ברמה הבסיסית ולשלוט טוב יותר בתוצאות של תגובות כימיות. ניתן לרתום את הידע הזה, בתורו, לעצב הבא - חומרים וטכנולוגיות דור.
מעקב אחר אלקטרון ערכיות במהלך תגובה
מדענים ניסו במשך שנים לעקוב אחר תנועות של אלקטרון יחיד לאורך כל תגובה כימית. עם זאת, הדמיה של מסע זה הייתה חמקמקה בכמה רמות מכיוון שקשה היה לבודד אלקטרונים בודדים מהאלקטרונים הרבים באטום, ולא ניתן היה לעשות זאת גם בטווח הזמן המהיר ביותר בו מתרחשות תגובות כימיות.
ב- SLAC, צוות מחקר החליט לנסות גישה חדשה שכללה תיאוריה וניסויים כאחד. בעזרת כוחם של LCLs, X - לייזר ריי, הם השתמשו בזמן - פתרו את X - ריי פיזור - צורה של הדמיה ברמה האטומית ובתוך Technique Technique IS רגישות מספיק כדי לעקוב אחר הפצת {5}.
את הצוות הוביל איאן גבלסקי, דוקטורט. סטודנט באוניברסיטת סטנפורד, פרופסור פיליפ באסבאום במכון הדופק של סטנפורד, וננה רשימת, פרופסור עוזר לכימיה תיאורטית במכון הטכנולוגי של KTH Royal, שבדיה, ובאוניברסיטת בירמינגהם, בריטניה, הובילו את האלקטרון, הוביל את הניסוי וניתוח הנתונים, ואילו רשימה סיפקו את התיאוריה והדמיות ששניהם נדרשו את הבחינה, אכן הובילו את השוואה של התגובה, אכן הובאו את השוואה של המפתח. סידור מחדש.
כדי לעקוב אחר ההשפעה של תנועת האלקטרונים, הצוות יצר מארז של אמוניה גבוהה - צפיפות והלהיב אותו עם לייזר אולטרה סגול. כאשר הלייזר עבר דרך הגז, קרניים x - מ- LCLs פגעו באלקטרונים ופיזרו החוצה. "וכל העניין קורה במהלך 500 Femtoseconds," אמר גבלסקי.
ברוב המולקולות, אלקטרוני הליבה, המחויבים היטב לאטומים, מספרים על האלקטרונים הערכיים החיצוניים. אך במולקולות קטנות וקלות כמו אמוניה, המורכבת מאטום חנקן ושלושה אטומי מימן, האלקטרונים הערכתיים מספרים בהרבה על אלקטרוני הליבה. המשמעות היא שאות ה- X - ריי פיזור האלקטרונים של Valence הוא מספיק חזק כדי לעקוב אחריהם ו"ראו "כיצד הם התקדמו תוך כדי להסיק את עמדות האטומים.
מדענים כבר ידעו שאמוניה מצולמת מתפתחת ממבנה בו אטומי החנקן והמימן יוצרים פירמידה לאחד בו כל האטומים שוכנים במישור. בסופו של דבר, אחד ההידרוגנים מתנתק מהגיאומטריה המישורית הזו ומגביר את המולקולה. בעזרת טכניקת פיזור ה- X - Ray, החוקרים הצליחו לדמיין את תנועת האלקטרונים שהניעה את הסידור הגרעיני הזה.
חישובי הרשימה היו המפתח לפרשנות הנתונים. "בדרך כלל עלינו להסיק כיצד אלקטרונים של ערכי נעים במהלך תגובה ולא לראות אותם ישירות, אבל כאן נוכל למעשה לראות את הסידור מחדש שלהם נפרש באמצעות מדידות ישירות", נכתב ברשימה. "זה היה שיתוף פעולה נחמד מאוד בין תיאוריה לניסוי."
בעקבות מסלולי תגובה כימיים שונים
מעקב אחר תנועת האלקטרונים של ערכיות מספק גם חלון לנתיבים השונים שתגובות כימיות יכולות לקחת, מונע על ידי התנועה האלקטרונית.
גבלסקי אמר כי "אם אתה מנסה לסנתז מולקולה לתרופות או חומר חדש, התגובות הכימיות הללו תמיד הולכים להסתעף למסלולים רצויים וגם לא רצויים," אמר גבלסקי. "כשזה לא הולך כמו שאתה רוצה, זה יוצר תוצרי לוואי. אז אם אתה מבין איך זה עובד, אתה יכול להבין כיצד להנחות את התגובה הזו בכיוון שאתה רוצה. זה יכול להיות כלי חזק מאוד לכימיה באופן כללי."
הצוות מקווה להמשיך ולשכלל את הטכניקות שלהם כדי לתפוס תמונות טובות עוד יותר, במיוחד עם X - ריי קרן לאחר שדרוג ה- LCLS האחרון.
"יכולנו לראות את אותות האלקטרונים הערכתיים האלה בים רקע האלקטרונים הליבה, אשר פותחים דרכים חדשות רבות", נמסר ברשימה. "זו הייתה הוכחת מושג שדחפה אותנו לנסות לראות דברים שלא הצלחנו לראות קודם."
