Die Valenzelektronen, die sich in der äußersten Hülle eines Atoms befindet, spielen eine wichtige Rolle bei der Bewirtschaftung chemischer Reaktionen und der Bildung von Bindungen mit anderen Atomen.
Aber es ist schwierig, diese Partikel bei der Ausführung dieser Arbeit abzubilden. Die Valenzelektronen sind nicht nur unglaublich klein, sondern bilden auch chemische Bindungen in Femtosekunden - bloße Billionen einer Sekunde.
Nun hat ein Experiment im SLAC National Accelerator Laboratory des Department of Energy zum ersten Mal die fortgeschrittene X - -Sray -Technologie mit Schneiden - Kantensimulationen und Theorie, um den Einfluss der Bewegung eines Valenzelektrons in Echtzeit während einer chemischen Reaktion abzubilden.
Mit extrem hellen X - Strahlimpulsen aus SLACs Ultrafast LINAC Coherent Light Source (LCLS) verfolgte ein multi - institutionelles Team ein einzelnes Valenzelektron, da es die Wasserstoffdissoziation von einem Ammonia -Molekül leitete.
Die im Journal veröffentlichten ErgebnissePhysische Überprüfungsbriefekönnten Wissenschaftlern helfen, Chemie besser auf fundamentaler Ebene zu verstehen und die Ergebnisse chemischer Reaktionen besser zu kontrollieren. Dieses Wissen könnte wiederum genutzt werden, um als nächstes - -Gergenienmaterialien und -Technologien zu entwerfen.
Verfolgung eines Valenzelektrons während einer Reaktion
Wissenschaftler haben seit Jahren versucht, die Bewegungen eines einzelnen Elektrons während einer chemischen Reaktion zu verfolgen. Die Bildgebung dieser Reise war jedoch auf mehreren Ebenen schwer fassbar, da es schwierig war, einzelne Elektronen aus den vielen Elektronen innerhalb eines Atoms zu isolieren, und es war auch unmöglich, dies innerhalb der extrem schnellen Zeitskala zu tun, auf der chemische Reaktionen stattfinden.
Bei SLAC beschloss ein Forschungsteam, einen neuen Ansatz auszuprobieren, der sowohl Theorie als auch Experimente umfasste. Using the power of LCLS, an X-ray laser, they used time-resolved X-ray scattering-a form of imaging at the atomic level and within femtoseconds that is sensitive enough to track the electron distribution-and paired the technique with advanced simulations and theory.
Das Team wurde von Ian Gabalski, einem Ph.D. Student an der Stanford University, Professor Philip Bucksbaum am Stanford Pulse Institute und Nanna List, Assistenzprofessor für theoretische Chemie am KTH Royal Institute of Technology, Schweden, und an der Universität von Birmingham leiteten UK Gabalski das Experiment und die Datenanalyse lieferten, während die Theorie die Theorie leitete, die sowohl die Reaktion als auch die Erfassungsstätte leiteten. Umlagerung.
Um die Auswirkungen der Elektronenbewegung zu verfolgen, erstellte das Team ein Gehäuse mit hohem - Dichteammoniak und erfreute es mit einem ultravioletten Laser. Als der Laser durch das Gas führte, traf X - Strahlen von LCLs die Elektronen und verstreut zurück. "Und das Ganze passiert im Verlauf von 500 Femtosekunden", sagte Gabalski.
In den meisten Molekülen sind die Kernelektronen, die fest an Atome gebunden sind, die äußeren Valenzelektronen überlegen. In kleinen und leichten Molekülen wie Ammoniak, die aus einem Stickstoffatom und drei Wasserstoffatomen besteht, sind die Valenzelektronen weit über die Kernelektronen hinweg weit unterlegen. Das bedeutet, dass das Signal von X - Strahlstreuung aus den Valenzelektronen stark genug ist, um sie zu verfolgen und zu sehen, wie sie sich bewegten und gleichzeitig die Positionen der Atome schließen.
Wissenschaftler wussten bereits, dass sich das Photoanerkannt ammoniak aus einer Struktur entwickelt, in der Stickstoff- und Wasserstoffatome eine Pyramide zu einer bilden, in der alle Atome in einer Ebene liegen. Schließlich bricht einer der Hydrogene aus dieser planaren Geometrie ab und fragmiert das Molekül. Mit ihrer X - Streutechnik konnten die Forscher die Elektronenbewegung vorstellen, die diese nukleare Neulagerung trug.
Die Berechnungen der Liste waren der Schlüssel zur Interpretation der Daten. "Normalerweise müssen wir schließen, wie Valenzelektronen sich während einer Reaktion bewegen, anstatt sie direkt zu sehen, aber hier konnten wir tatsächlich beobachten, wie sich ihre Umlagerung durch direkte Messungen entfaltet", sagte List. "Es war eine sehr schöne Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment."
Nach verschiedenen chemischen Reaktionswegen folgen
Die Verfolgung der Bewegung der Valenzelektronen liefert auch ein Fenster in die verschiedenen Pfade, die chemische Reaktionen aufnehmen können, die durch die elektronische Bewegung angetrieben werden.
"Wenn Sie versuchen, ein Molekül für ein neues pharmazeutisches oder Material zu synthetisieren, werden diese chemischen Reaktionen immer in gewünschte und unerwünschte Wege verzweigen", sagte Gabalski. "Wenn es nicht so geht, wie Sie es wollen, schafft es Nebenprodukte. Wenn Sie also verstehen, wie dies funktioniert, können Sie herausfinden, wie Sie diese Reaktion in die gewünschte Richtung lenken können. Es könnte ein sehr leistungsstarkes Werkzeug für Chemie im Allgemeinen sein."
Das Team hofft, seine Techniken weiter zu verfeinern, um noch bessere Bilder aufzunehmen, insbesondere mit noch leistungsstärkeren X - Strahlstrahlen nach dem jüngsten LCLS -Upgrade.
"Wir konnten diese Valenzelektronensignale im Meer des Kernelektronenhintergrunds sehen, was viele neue Wege eröffnet", sagte List. "Es war ein Beweis für das Konzept, das uns dazu gedrängt hat, Dinge zu sehen, die wir vorher nicht sehen konnten."
