Các electron hóa trị, nằm trong lớp vỏ ngoài cùng của một nguyên tử, đóng một vai trò quan trọng trong việc điều khiển các phản ứng hóa học và hình thành các liên kết với các nguyên tử khác.
Nhưng hình ảnh các hạt này khi chúng thực hiện công việc này là khó khăn. Không chỉ là các electron hóa trị cực kỳ nhỏ, chúng còn tạo thành các liên kết hóa học trong vòng femtoSeconds - chỉ dành cho một phần tư của một giây.
Giờ đây, một thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng, lần đầu tiên, kết hợp công nghệ tia X- tiên tiến với việc cắt - mô phỏng cạnh và lý thuyết đối với hình ảnh tác động của chuyển động của electron hóa trị trong thời gian thực trong suốt phản ứng hóa học.
Sử dụng các xung tia cực kỳ sáng x - từ nguồn ánh sáng kết hợp linac cực nhanh của SLAC (LCLS), một nhóm thể chế đa - đã theo dõi một electron hóa trị duy nhất khi nó hướng dẫn sự phân ly hydro từ một phân tử amoniac.
Kết quả, được công bố trên tạp chíĐánh giá vật lý thư, có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về hóa học ở cấp độ cơ bản và kiểm soát tốt hơn kết quả của các phản ứng hóa học. Kiến thức đó, lần lượt, có thể được khai thác để thiết kế tiếp theo - vật liệu và công nghệ thế hệ.
Theo dõi một electron hóa trị trong một phản ứng
Các nhà khoa học đã cố gắng trong nhiều năm để theo dõi các chuyển động của một electron duy nhất trong suốt phản ứng hóa học. Tuy nhiên, hình ảnh hành trình này đã khó nắm bắt ở nhiều cấp độ vì rất khó để cô lập các electron đơn lẻ khỏi nhiều electron trong một nguyên tử và cũng không thể làm như vậy trong khoảng thời gian cực kỳ nhanh mà các phản ứng hóa học diễn ra.
Tại SLAC, một nhóm nghiên cứu đã quyết định thử một cách tiếp cận mới liên quan đến cả lý thuyết và thí nghiệm. Sử dụng công suất của LCLS, X - tia laser, chúng đã sử dụng thời gian - đã giải quyết x - Ray tán xạ -
Nhóm được dẫn dắt bởi Ian Gabalski, bằng tiến sĩ. sinh viên tại Đại học Stanford, Giáo sư Philip Bucksbaum tại Viện Stanford Pulse, và Nanna Danh sách, một giáo sư hóa học lý thuyết tại Viện Công nghệ KTH Hoàng gia, Thụy Điển, và tại Đại học Birmingham đã đưa ra phản ứng của UK. Sắp xếp lại điện tử.
Để theo dõi tác động của chuyển động điện tử, nhóm đã tạo ra một vỏ bọc cao - mật độ amoniac và kích thích nó bằng tia laser cực tím. Khi tia laser đi qua khí, x - Tia từ LCLS chạm vào các electron và phân tán trở lại. "Và toàn bộ điều xảy ra trong quá trình 500 femtoseconds," Gabalski nói.
Trong hầu hết các phân tử, các electron cốt lõi, liên kết chặt chẽ với các nguyên tử, vượt xa các electron hóa trị bên ngoài. Nhưng trong các phân tử nhỏ và nhẹ như amoniac, bao gồm một nguyên tử nitơ và ba nguyên tử hydro, các electron hóa trị vượt xa các electron cốt lõi. Điều đó có nghĩa là tín hiệu tán xạ tia X - từ các electron hóa trị đủ mạnh để theo dõi chúng và "xem" cách chúng di chuyển trong khi cũng suy ra các vị trí của các nguyên tử.
Các nhà khoa học đã biết rằng amoniac quang hóa phát triển từ một cấu trúc trong đó các nguyên tử nitơ và hydro tạo thành một kim tự tháp đến một trong đó tất cả các nguyên tử nằm trong một mặt phẳng. Cuối cùng, một trong những hydrogens phá vỡ hình học phẳng này và các phân tử phân tử. Với kỹ thuật tán xạ tia x - của họ, các nhà nghiên cứu đã có thể hình dung ra chuyển động điện tử đã điều khiển sự sắp xếp lại hạt nhân này.
Tính toán của danh sách là chìa khóa để giải thích dữ liệu. "Thông thường chúng ta phải suy ra cách các electron hóa trị di chuyển trong một phản ứng thay vì nhìn thấy chúng trực tiếp, nhưng ở đây chúng ta thực sự có thể xem sự sắp xếp lại của chúng mở ra thông qua các phép đo trực tiếp", List cho biết. "Đó là một sự hợp tác rất tốt đẹp giữa lý thuyết và thí nghiệm."
Theo các con đường phản ứng hóa học khác nhau
Theo dõi chuyển động của các electron hóa trị cũng cung cấp một cửa sổ vào các đường dẫn khác nhau mà các phản ứng hóa học có thể thực hiện, được điều khiển bởi chuyển động điện tử.
"Nếu bạn đang cố gắng tổng hợp một phân tử cho một dược phẩm hoặc vật liệu mới, những phản ứng hóa học đó luôn luôn phân nhánh thành cả con đường mong muốn và không mong muốn", Gabalski nói. "Khi nó không đi theo cách bạn muốn, nó tạo ra các sản phẩm phụ. Vì vậy, nếu bạn hiểu cách thức hoạt động của nó, thì bạn có thể tìm ra cách điều khiển phản ứng đó theo hướng bạn muốn. Nó có thể là một công cụ rất mạnh mẽ cho hóa học nói chung."
Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ tiếp tục tinh chỉnh các kỹ thuật của họ để chụp các hình ảnh thậm chí còn tốt hơn, đặc biệt là với các chùm tia X- mạnh mẽ hơn sau khi nâng cấp LCLS gần đây.
"Chúng ta có thể thấy các tín hiệu electron hóa trị này trong Biển nền điện tử cốt lõi, mở ra nhiều con đường mới," List cho biết. "Đó là một bằng chứng về khái niệm đã thúc đẩy chúng tôi cố gắng nhìn thấy những điều mà chúng tôi chưa thể nhìn thấy trước đây."
