Pentru prima dată, oamenii de știință au folosit UltraPast Radiografie Clipește pentru a lua o imagine directă a unui singur electron pe măsură ce se deplasa în timpul unei reacții chimice.
În nou studiupublicat pe 20 august în revista Physical Review Letters, cercetătorii au realizat această fază incredibilă, imaginând cum un electron de valență – un electron în coajă exterioară a unui atom – s -a mutat când o moleculă de amoniac s -a despărțit.
De zeci de ani, oamenii de știință au folosit împrăștiere cu raze X ultrarah atomi și reacțiile lor chimice. Răspândirea folosește explozii de raze X pentru a îngheța molecule minuscule și cu mișcare rapidă în acțiune. Razele X au o gamă perfectă a lungimii de undă pentru captarea detaliilor la scara atomică, motiv pentru care sunt ideale pentru molecule imagistice.
Cu toate acestea, razele X interacționează puternic doar cu electronii de bază în apropierea nucleului atomului. Au fost ascunși electronii de valență – cei mai exteriori într -un atom și cei responsabili de reacțiile chimice.
„Am vrut să facem poze cu electronii reali care conduc această mișcare”, Ian Gabalskia declarat pentru Live Science, un student de doctorat în fizică și un autor principal al studiului.
Dacă oamenii de știință pot înțelege cum se mișcă electronii de valență în timpul reacțiilor chimice, i -ar putea ajuta să proiecteze medicamente mai bune, procese chimice mai curate și materiale mai eficiente, a spus Gabalski.
Pentru a începe, echipa trebuia să găsească molecula potrivită. S -a dovedit a fi amoniac.
“Amoniacul este un fel de special”, a spus Gabalski. “Deoarece are în mare parte atomi ușori, nu există o mulțime de electroni de bază care să înecă semnalul de la cei exteriori. Așa că am avut o lovitură pentru a vedea de fapt acel electron de valență.”
Experimentul a fost realizat la Sursa de lumină coerentă a laboratorului național SLACo facilitate care produce impulsuri intense și scurte cu raze X. În primul rând, echipa a oferit moleculei de amoniac o minusculă de lumină ultravioletă, ceea ce a făcut ca unul dintre electroni să „sară” la un nivel de energie mai mare. Electronii din molecule rămân de obicei în stări cu energie redusă, iar dacă sunt împinși la una mai mare, declanșează o reacție chimică. Apoi, cu fasciculul de raze X, cercetătorii au înregistrat modul în care „norul” electronului s-a schimbat în timp ce molecula a început să se despartă.
Înrudite: Forma luminii: oamenii de știință dezvăluie imaginea unui foton individual pentru prima oară
În Fizica cuanticăelectronii nu sunt văzuți ca niște bile minuscule care orbitează nucleul. În schimb, acestea există ca nori de probabilitate, „unde densitatea mai mare înseamnă că aveți mai multe șanse să vedeți electronul”, a explicat Gabalski. Acești nori sunt, de asemenea, cunoscuți ca orbitali și fiecare are o formă distinctă în funcție de energia și poziția electronului.
Pentru a cartografia acest nor de electroni, echipa a alergat mecanic cuantic simulări pentru calcularea structurii electronice a moleculei. “Așadar, acum acest program pe care îl folosim pentru aceste tipuri de calcule merge și se referă la locul în care electronii umplu acei orbitali din jurul moleculei”, a spus Gabalski.
Razele X în sine acționează ca undele, iar atunci când trec prin norul de probabilitate al electronului, se împrăștie în direcții diferite. „Dar atunci acele radiografii pot merge și se pot interfera între ele”, a spus Gabalski. Măsurând acest model de interferență, echipa a reconstruit o imagine a orbitalului electronului și a văzut cum se mișca electronul în timpul reacției.
Au comparat rezultatele cu două modele teoretice: unul care a inclus mișcarea electronilor de valență și unul care nu. Datele s -au potrivit cu primul model, confirmând că au capturat rearanjarea electronului în acțiune.
Cercetătorii speră să adapteze sistemul pentru utilizare în medii 3D mai complexe, care imită mai bine țesuturile reale. Acest lucru l -ar muta mai aproape de aplicațiile din medicina regenerativă, cum ar fi creșterea sau repararea țesuturilor la cerere.