Els electrons de valència, situats a la closca més externa d’un àtom, tenen un paper important en la conducció de reaccions químiques i en formar enllaços amb altres àtoms.
Però imaginar aquestes partícules a mesura que realitzen aquest treball és complicat. Els electrons de valència no només són increïblement petits, sinó que també formen enllaços químics dins de les femtosegons - simples quadrillions d’un segon.
Ara, un experiment al Laboratori Nacional de l’accelerador SLAC del Departament d’Energia ha combinat, per primera vegada, la tecnologia de raigs avançada x - amb tall de tall - i teoria per imaginar l’impacte del moviment d’un electró de valència en temps real al llarg d’una reacció química.
Utilitzant polsos de raigs X - de la font de llum coherent de Linac de SLAC (LCLS), un equip institucional multi - va fer un seguiment d'un sol electró de valència mentre guiava la dissociació d'hidrogen d'una molècula d'amonia.
Els resultats, publicats a la revistaLletres de revisió física, podria ajudar els científics a comprendre millor la química a nivell fonamental i controlar millor els resultats de les reaccions químiques. Aquest coneixement, al seu torn, es podria aprofitar per dissenyar materials i tecnologies de generació a continuació -.
Seguiment d’un electró de valència durant una reacció
Els científics han intentat durant anys fer un seguiment dels moviments d’un sol electró durant una reacció química. Tot i això, la imatge d’aquest viatge ha estat evasiva en diversos nivells perquè ha estat difícil aïllar electrons simples dels molts electrons dins d’un àtom, i també ha estat impossible fer -ho dins del temps extremadament ràpid sobre el qual es produeixen les reaccions químiques.
A SLAC, un equip de recerca va decidir provar un nou enfocament que implicava tant la teoria com els experiments. Utilitzant la potència de LCLS, un x - làser Ray, van utilitzar el temps - resolt x - Scattering - Imaginat a nivell atòmic i dins de les femtosegons que és prou sensible per fer un seguiment de la distribució d'electrons - i es va combinar amb la tècnica amb simulacions avançades i teoria.
L’equip va ser dirigit per Ian Gabalski, un doctorat. Estudiant a la Universitat de Stanford, professor Philip Bucksbaum a l’Institut Stanford Pulse i Nanna List, un professor ajudant de química teòrica del Kth Royal Institute of Technology, Suècia, i a la Universitat de Birmingh, Regne Unit Gabalski Reordenació.
Per fer un seguiment de l'impacte del moviment d'electrons, l'equip va crear un recinte d'amoníac de densitat alta - i va emocionar -lo amb un làser ultraviolat. A mesura que el làser passava pel gas, els raigs x {{2} de LCLs van colpejar els electrons i es van escampar cap a fora. "I tot passa al llarg de 500 femtosegons", va dir Gabalski.
A la majoria de molècules, els electrons del nucli, que estan estretament lligats a àtoms, superen els electrons de valència exterior. Però en molècules petites i lleugeres com l’amoníac, que consisteix en un àtom de nitrogen i tres àtoms d’hidrogen, els electrons de valència superen amb escreix els electrons del nucli. Això vol dir que el senyal de dispersió de raigs x - dels electrons de valència és prou fort per fer -los un seguiment i "veure" com es van moure, alhora que inferien les posicions dels àtoms.
Els científics ja sabien que l’amoníac fotoexcitat evoluciona des d’una estructura en la qual els àtoms de nitrogen i hidrogen formen una piràmide a una en la qual tots els àtoms es troben en un pla. Finalment, un dels hidrogens es desprèn d'aquesta geometria plana i fragment la molècula. Amb la seva tècnica de dispersió de raigs x -, els investigadors van poder imaginar el moviment d'electrons que va impulsar aquest reordenament nuclear.
Els càlculs de la llista van ser clau per interpretar les dades. "Normalment hem de inferir com es mouen els electrons de valència durant una reacció en lloc de veure -les directament, però aquí podríem veure que la seva reordenació es desplegava mitjançant mesures directes", va dir List. "Va ser una col·laboració molt agradable entre teoria i experiment".
Seguint diferents vies de reacció química
El seguiment del moviment dels electrons de valència també proporciona una finestra als diferents camins que poden adoptar les reaccions químiques, impulsades pel moviment electrònic.
"Si intenteu sintetitzar una molècula per a un nou material farmacèutic o material, aquestes reaccions químiques sempre es van a ramificar tant en vies desitjades com no desitjades", va dir Gabalski. "Quan no vagi com vulgueu, crea subproductes. Així, si enteneu com funciona això, podeu esbrinar com dirigir aquesta reacció en la direcció que vulgueu. Podria ser una eina molt potent per a la química en general."
L’equip espera continuar perfeccionant les seves tècniques per capturar imatges encara millors, sobretot amb raigs de raig X- més potents després de la recent actualització de LCLS.
"Podríem veure aquests senyals d'electrons de valència al mar del fons d'electrons, que obre moltes noves vies", va dir la llista. "Va ser una prova de concepte que ens ha impulsat a intentar veure coses que no havíem pogut veure abans".
