Генерирующий сверхкороткие импульсы рентгеновский лазер помогает ученым понять, как валентные электроны участвуют в химических реакциях, что позволяет контролировать эти процессы на атомном уровне.
Валентные электроны, находящиеся на внешней оболочке атома, играют важную роль в химических реакциях и образовании связей с другими атомами. Однако визуализировать эти частицы в процессе реакции является непростой задачей. Они не только чрезвычайно малы, но и формируют химические связи за фемтосекунды — 10-15с.
В ходе эксперимента, осуществленного в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, впервые была применена комбинация передовых рентгеновских технологий и новейших методов моделирования для визуализации перемещения валентного электрона в реальном времени на протяжении всей химической реакции.
С использованием высокоинтенсивных рентгеновских импульсов от сверхбыстрого источника когерентного света LCLS-II линейного ускорителя SLAC, объединенная группа ученых из различных институтов отслеживала один-единственный валентный электрон, который управлял диссоциацией водорода из молекулы аммиака.
Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, могут помочь исследователям глубже понять основные законы химии и управлять результатами химических реакций. Эти знания могут быть использованы для создания материалов и технологий нового поколения.
Ученые на протяжении многих лет пытались проследить движение отдельного электрона в ходе химической реакции. Однако визуализировать это движение было затруднительно по нескольким причинам: было сложно выделить отдельные электроны из множества электронов в атоме, и сделать это в крайне короткие временные промежутки химических реакций было практически невозможно.
В SLAC группа исследователей решила применить новый подход, сочетая теоретические и экспериментальные методы. Используя мощь рентгеновского лазера LCLS, они применили метод рассеяния рентгеновских лучей с временным разрешением — форму визуализации на атомном уровне в пределах фемтосекунд, достаточно чувствительную для отслеживания распределения электронов, и объединили этот метод с современным компьютерным моделированием.
Команду возглавляли Ян Габальски, аспирант Стэнфордского университета, и Нанна Лист, доцент химии Королевского технологического института KTH в Швеции и Бирмингемского университета в Великобритании. Габальски координировал эксперимент и анализ данных, тогда как Лист занималась теорией и моделированием, которые определили выбор реакции и обеспечили необходимое сравнение для подтверждения того, что эксперимент действительно зафиксировал перегруппировку валентных электронов.