Valenselektroner, belägna i det yttersta skalet i en atom, spelar en viktig roll för att driva kemiska reaktioner och bilda bindningar med andra atomer.
Men att avbilda dessa partiklar när de utför detta arbete är svårt. Valenselektroner är inte bara otroligt små, de bildar också kemiska bindningar inom femtosekunder - Enbart kvadrillion av en sekund.
Nu har ett experiment vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory för första gången kombinerat avancerat x - Ray -teknik med skärning - kant simuleringar och teori för att avbilda effekterna av rörelsen av en valenselektron i realtid under en kemisk reaktion.
Med hjälp av extremt ljusa x - Ray -pulser från SLAC: s Ultrafast LINAC Coherent Light Source (LCLS), spårade en multi - institutionellt team en enda valenselektron när den ledde vätedissociationen från en ammoniakmolekyl.
Resultaten, publicerade i tidskriftenFysiska granskningsbrev, kan hjälpa forskare att både bättre förstå kemi på en grundläggande nivå och bättre kontrollera resultaten av kemiska reaktioner. Denna kunskap kan i sin tur utnyttjas för att designa nästa - genereringsmaterial och tekniker.
Spåra en valenselektron under en reaktion
Forskare har i flera år försökt spåra rörelserna från en enda elektron genom en kemisk reaktion. Emellertid har avbildningen denna resa varit svårfångad på flera nivåer eftersom det har varit svårt att isolera enstaka elektroner från de många elektronerna i en atom, och det har också varit omöjligt att göra det inom den extremt snabba tidsskalan som kemiska reaktioner äger rum.
På SLAC beslutade ett forskargrupp att prova en ny strategi som involverade både teori och experiment. 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.
Teamet leddes av Ian Gabalski, en doktorsexamen. Student vid Stanford University, professor Philip Bucksbaum vid Stanford Pulse Institute, och Nanna List, en biträdande professor i teoretisk kemi vid KTH Royal Institute of Technology, Sverige, och vid University of Birmingham, gav Storbritannien Gabalski den experiment och dataanalys, medan List gav teorin och simuleringarna som både guidade valet av reaktion och senare nyckel jämförelse som krävde den experimentet som faktiskt hade en dataanalys, medan List gav teorin och simuleringarna som både vägledde valet av reaktion och senare nyckel jämförelse som krävde den experiment som fångade in CAPTURED CAPTERADE VALENCE VALREGEN VARAN.
För att spåra effekterna av elektronrörelse skapade teamet en inneslutning av hög - densitet ammoniak och upphetsade den med en ultraviolett laser. När lasern passerade genom gasen träffade X - strålar från LCL: er elektronerna och spridda tillbaka. "Och det hela händer under 500 femtosekunder," sade Gabalski.
I de flesta molekyler överträffar kärnelektronerna, som är tätt bundna till atomer, de yttre valenselektronerna. Men i små och lätta molekyler som ammoniak, som består av en kväveatom och tre väteatomer, är valenselektronerna långt över kärnelektronerna. Det betyder att X - Ray -spridningssignalen från valenselektronerna är tillräckligt stark för att spåra dem och "se" hur de rörde sig samtidigt som de slutar atomernas positioner.
Forskare visste redan att fotoexcited ammoniak utvecklas från en struktur där kväve- och väteatomerna bildar en pyramid till en där alla atomer ligger i ett plan. Så småningom bryter en av hydrogener från denna plana geometri och fragment molekylen. Med sin X - Ray -spridningsteknik kunde forskarna avbilda elektronrörelsen som drev denna kärnkraftsarrangemang.
Listens beräkningar var nyckeln till att tolka data. "Normalt måste vi dra slutsatsen om hur valenselektroner rör sig under en reaktion snarare än att se dem direkt, men här kan vi faktiskt se deras omarrangemang utvecklas genom direkta mätningar," sade List. "Det var ett mycket trevligt samarbete mellan teori och experiment."
Efter olika kemiska reaktionsvägar
Spårning av rörelse av valenselektroner ger också ett fönster till de olika vägarna som kemiska reaktioner kan ta, drivna av den elektroniska rörelsen.
"Om du försöker syntetisera en molekyl för ett nytt farmaceutiskt eller material, kommer dessa kemiska reaktioner alltid att grenas till både önskade och oönskade vägar," sade Gabalski. "När det inte går som du vill, skapar det biprodukter. Så om du förstår hur detta fungerar kan du ta reda på hur du kan styra den reaktionen i den riktning du vill. Det kan vara ett mycket kraftfullt verktyg för kemi i allmänhet."
Teamet hoppas kunna fortsätta att förfina sina tekniker för att fånga ännu bättre bilder, särskilt med ännu kraftfullare X - Ray -strålar efter den senaste LCLS -uppgraderingen.
"Vi kunde se dessa valenselektronsignaler i havet av kärnelektronbakgrund, som öppnar upp många nya vägar," sade List. "Det var ett bevis på koncept som har drivit oss att försöka se saker som vi inte har kunnat se tidigare."
