Valentie -elektronen, gelegen in de buitenste schaal van een atoom, spelen een belangrijke rol bij het aansturen van chemische reacties en het vormen van bindingen met andere atomen.
Maar deze deeltjes beelden terwijl ze dit werk uitvoeren, is lastig. Valentie -elektronen zijn niet alleen ongelooflijk klein, ze vormen ook chemische bindingen binnen femtoseconden - Mere quadrillionths van een seconde.
Nu heeft een experiment bij het SLAC National Accelerator -laboratorium van het Department of Energy voor het eerst geavanceerde x - straaltechnologie gecombineerd met het snijden van - randsimulaties en theorie om de impact van de beweging van een valentie -elektron in realtime in realtime af te beelden.
Met behulp van extreem heldere x - ray pulsen van SLAC's ultrasnelle linac coherente lichtbron (LCLS), een multi - institutioneel team volgde een enkel valce -elektron terwijl het de waterstofdissociatie leidde van een ammoniakolecule.
De resultaten, gepubliceerd in het tijdschriftFysieke beoordelingsbrieven, kunnen wetenschappers helpen beide de chemie op een fundamenteel niveau beter te begrijpen als de resultaten van chemische reacties beter te beheersen. Die kennis kan op zijn beurt worden benut om volgende te ontwerpen - generatiematerialen en technologieën.
Een valentie -elektron volgen tijdens een reactie
Wetenschappers hebben al jaren geprobeerd de bewegingen van een enkel elektron te volgen tijdens een chemische reactie. De beeldvorming van deze reis is echter op verschillende niveaus ongrijpbaar geweest omdat het moeilijk was om afzonderlijke elektronen van de vele elektronen binnen een atoom te isoleren, en het was ook onmogelijk om dit te doen binnen het extreem snelle tijdschaal waarop chemische reacties plaatsvinden.
Bij SLAC besloot een onderzoeksteam om een nieuwe aanpak te proberen die zowel theorie als experimenten met zich meebracht. Met behulp van de kracht van LCLS, een x - ray laser, gebruikten ze tijd - opgelost x - ray scattering - een vorm van beeldvorming op het atoomniveau en binnen femtoseconden en in femtoseconden en theory.
Het team werd geleid door Ian Gabalski, een Ph.D. Student aan de Stanford University, professor Philip Bucksbaum aan het Stanford Pulse Institute, en Nanna List, een universitair docent theoretische chemie aan het KTH Royal Institute of Technology, Zweden, en aan de Universiteit van Birmingham, UK Gabalski leidde het experiment en data -analyse, terwijl de list de theorie en simulaties bood die de keuze van de kiezers van de reactie en later begunstigde en later de hoofdvergelijking nodig had die de hoofdvergelijking nodig had die de belangrijkste vergelijking van de experiment bevatte die de belangrijkste vergelijking van de experiment had die de belangrijkste vergelijking van de experimende klootzak had. herschikking.
Om de impact van elektronenbeweging te volgen, creëerde het team een behuizing van hoge - dichtheid ammoniak en opgewonden met een ultraviolette laser. Terwijl de laser door het gas ging, raken x - stralen van LCLS de elektronen en verspreid over. "En het hele ding gebeurt in de loop van 500 femtoseconden," zei Gabalski.
In de meeste moleculen overtreffen de kernelektronen, die strak gebonden zijn aan atomen, de buitenste valentie -elektronen. Maar in kleine en lichte moleculen zoals ammoniak, die bestaat uit een stikstofatoom en drie waterstofatomen, overtreffen de valentie -elektronen de kernelektronen ver. Dat betekent dat het X - stralen verstrooiingssignaal van de valentie -elektronen sterk genoeg is om ze te volgen en te "zien" hoe ze zijn bewogen terwijl ze ook de posities van de atomen afleiden.
Wetenschappers wisten al dat foto -geëxciteerde ammoniak evolueert uit een structuur waarin de stikstof- en waterstofatomen een piramide vormen voor één waarin alle atomen in een vlak liggen. Uiteindelijk breekt een van de hydrogenen af van deze vlakke geometrie en fragmenteert het molecuul. Met hun x - ray -verstrooiingstechniek konden de onderzoekers de elektronenbeweging zien die deze nucleaire herschikking veroorzaakte.
De berekeningen van de lijst waren van cruciaal belang om de gegevens te interpreteren. "Normaal moeten we afleiden hoe valentie -elektronen bewegen tijdens een reactie in plaats van ze rechtstreeks te zien, maar hier konden we hun herhaling zien ontvouwen door directe metingen," zei List. "Het was een zeer mooie samenwerking tussen theorie en experiment."
Het volgen van verschillende chemische reactiepaden
Het volgen van de beweging van valentie -elektronen biedt ook een venster op de verschillende paden die chemische reacties kunnen nemen, aangedreven door de elektronische beweging.
"Als u probeert een molecuul te synthetiseren voor een nieuw farmaceutisch of materiaal, zullen die chemische reacties altijd in zowel gewenste als ongewenste paden vertakken," zei Gabalski. "Als het niet gaat zoals je wilt, creëert het bijproducten. Dus als je begrijpt hoe dit werkt, kun je erachter komen hoe je die reactie in de gewenste richting kunt sturen. Het kan een zeer krachtig hulpmiddel zijn voor chemie in het algemeen."
Het team hoopt hun technieken te blijven verfijnen om nog betere afbeeldingen vast te leggen, vooral met nog krachtigere x - raystralen na de recente LCLS -upgrade.
"We konden deze valentie -elektronensignalen zien in de zee van kernelektronenachtergrond, die veel nieuwe wegen opent," zei List. "Het was een proof of concept dat ons heeft aangedrongen om te proberen dingen te zien die we niet eerder hebben kunnen zien."
