الکترون های Valence ، واقع در بیرونی ترین پوسته یک اتم ، نقش مهمی در رانندگی واکنش های شیمیایی و ایجاد پیوندها با سایر اتم ها دارند.
اما تصویربرداری از این ذرات هنگام انجام این کار مشکل است. نه تنها الکترونهای Valence فوق العاده کوچک هستند ، بلکه اوراق قرضه شیمیایی را نیز در Femtoseconds ایجاد می کنند.
اکنون ، آزمایشی در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده National SLAC وزارت انرژی ، برای اولین بار ، پیشرفته پیشرفته X -} ray را با برش- شبیه سازی لبه و تئوری برای تصویربرداری از حرکت یک الکترون Valence در زمان واقعی در طول یک واکنش شیمیایی ترکیب کرده است.
با استفاده از پالس های بسیار روشن X -} ray از منبع نور منسجم Linac Ultrafast SLAC (LCL) ، یک تیم نهادی چند- یک الکترونی با ظرفیت واحد را ردیابی می کند زیرا باعث تفکیک هیدروژن از یک مولکول آمونیا می شود.
نتایج ، منتشر شده در مجلهنامه های بررسی فیزیکی، می تواند به دانشمندان کمک کند هر دو شیمی را در سطح اساسی درک کنند و نتایج واکنشهای شیمیایی را بهتر کنترل کنند. این دانش ، به نوبه خود ، می تواند برای طراحی بعدی مواد و فن آوری های نسل بعدی {{1} استفاده شود.
ردیابی یک الکترون Valence در طی یک واکنش
دانشمندان سالها تلاش کرده اند تا حرکات یک الکترون واحد را در طول یک واکنش شیمیایی ردیابی کنند. با این حال ، تصویربرداری از این سفر در چندین سطح گریزان بوده است زیرا جداسازی الکترون های منفرد از بسیاری از الکترون های موجود در یک اتم دشوار بوده است ، و همچنین انجام این کار در بازه زمانی بسیار سریع که واکنش های شیمیایی در آن صورت می گیرد ، غیرممکن بوده است.
در SLAC ، یک تیم تحقیقاتی تصمیم گرفتند یک رویکرد جدید را امتحان کنند که هم تئوری و هم آزمایش ها را درگیر کند. آنها با استفاده از قدرت LCL ها ، یک لیزر X-} Ray ، آنها از زمان -} حل شده X -} پراکندگی پرتو- یک شکل تصویربرداری در سطح اتمی و در داخل فمیتوسواندها که به اندازه کافی حساس است برای ردیابی توزیع الکترونی {5} 5
این تیم توسط یان گابالسکی ، دکتری هدایت شد. دانشجوی دانشگاه استنفورد ، پروفسور فیلیپ باكسباوم در موسسه پالس استنفورد ، و نانا لیست ، استادیار شیمی نظری در انستیتوی فناوری سلطنتی KTH ، سوئد ، سوئد ، و در دانشگاه بیرمنگام ، انگلستان گابالسكی ، آزمایش و تجزیه و تحلیل داده ها را انجام داده است ، در حالی که لیست های اسیر و اثبات این امر را ارائه می دهد که هر دو مقایسه ای را ارائه می دهد و هر دو انتخاب واکنش را ارائه می دهند. تنظیم مجدد
برای ردیابی تأثیر حرکت الکترون ، تیم محصور آمونیاک چگالی بالا - ایجاد کرده و آن را با یک لیزر ماوراء بنفش هیجان زده می کند. با عبور لیزر از طریق گاز ، پرتوهای X - از LCL ها به الکترونها برخورد کردند و به بیرون پراکنده شدند. گابالسکی گفت: "و همه چیز در طی 500 فموتوس ثانیه اتفاق می افتد."
در بیشتر مولکول ها ، الکترونهای هسته ، که کاملاً به اتمها محدود هستند ، از الکترونهای دریچه بیرونی پیشی می گیرند. اما در مولکول های کوچک و سبک مانند آمونیاک ، که از یک اتم نیتروژن و سه اتم هیدروژن تشکیل شده است ، الکترون های ظرفیت بسیار بیشتر از الکترونهای هسته هستند. این بدان معناست که سیگنال پراکندگی اشعه X - از الکترونهای Valence به اندازه کافی قوی است که آنها را ردیابی کند و "چگونه" را حرکت می دهد و در عین حال موقعیت های اتمها را نیز استنباط می کند.
دانشمندان قبلاً می دانستند كه آمونیاك عكس از ساختاری كه در آن اتم های نیتروژن و هیدروژن هرمی به یكی از آنها را تشکیل می دهند كه در آن همه اتم ها در هواپیما قرار دارند ، تکامل می یابد. سرانجام ، یکی از هیدروژن ها از این هندسه مسطح جدا می شود و مولکول را قطعات می کند. محققان با استفاده از تکنیک پراکندگی پرتوی X- ، توانستند حرکت الکترون را که این بازآرایی هسته ای را به وجود آورد ، تصویر کنند.
محاسبات لیست برای تفسیر داده ها مهم بود. لیست گفت: "به طور معمول ما باید استنباط كنیم كه چگونه الکترونهای ظرفیت در حین واكنش به جای دیدن مستقیم آنها حرکت می كنند ، اما در اینجا ما واقعاً می توانیم بازآرایی آنها را از طریق اندازه گیری های مستقیم باز كنیم." "این همکاری بسیار خوبی بین تئوری و آزمایش بود."
به دنبال مسیرهای مختلف واکنش شیمیایی
ردیابی حرکت الکترونهای Valence همچنین پنجره ای را در مسیرهای مختلفی که واکنشهای شیمیایی می توانند از آن استفاده کنند ، با حرکت الکترونیکی هدایت می کند.
گابالسکی گفت: "اگر می خواهید یک مولکول را برای یک دارویی یا مواد جدید سنتز کنید ، این واکنشهای شیمیایی همیشه در هر دو مسیر مورد نظر و ناخواسته قرار می گیرند." "وقتی به روشی که شما می خواهید پیش نمی رود ، محصول جانبی ایجاد می کند. بنابراین ، اگر می فهمید که چگونه این کار می کند ، می توانید بفهمید که چگونه می توانید آن واکنش را در جهت مورد نظر خود هدایت کنید. این می تواند ابزاری بسیار قدرتمند برای شیمی به طور کلی باشد."
این تیم امیدوار است که تکنیک های خود را برای ضبط تصاویر حتی بهتر ، به خصوص با پرتوهای حتی قدرتمندتر X- ray پس از بروزرسانی اخیر LCLS ادامه دهد.
لیست گفت: "ما می توانیم این سیگنال های الکترونی Valence را در دریای پس زمینه الکترونی هسته مشاهده کنیم ، که بسیاری از راه های جدید را باز می کند." "این اثبات مفهومی بود که ما را به تلاش برای دیدن چیزهایی که قبلاً نتوانسته ایم ببینیم ، سوق داده است."
