Elektron valensi, yang terletak di cangkang terluar atom, memainkan peran penting dalam menggerakkan reaksi kimia dan membentuk ikatan dengan atom lainnya.
Tetapi pencitraan partikel -partikel ini karena melakukan pekerjaan ini rumit. Tidak hanya elektron valensi yang sangat kecil, mereka juga membentuk ikatan kimia dalam femtoseconds - hanya quadrillionths dari satu detik.
Sekarang, sebuah percobaan di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC Departemen Energi, untuk pertama kalinya, telah menggabungkan Teknologi Ray X - dengan pemotongan -} untuk membayangkan dampak gerakan elektron valensi secara real time sepanjang reaksi kimia.
Menggunakan x - yang sangat cerah dari Sumber Cahaya Linac Ultrafast Slac (LCLS), tim kelembagaan multi- melacak elektron valensi tunggal saat memandu disosiasi hidrogen dari molekul amonia.
Hasilnya, yang diterbitkan dalam jurnalSurat Ulasan Fisik, dapat membantu para ilmuwan lebih memahami kimia pada tingkat fundamental dan lebih mengontrol hasil reaksi kimia. Pengetahuan itu, pada gilirannya, dapat dimanfaatkan untuk merancang materi dan teknologi generasi berikutnya -.
Melacak elektron valensi selama reaksi
Para ilmuwan telah mencoba selama bertahun -tahun untuk melacak gerakan elektron tunggal di seluruh reaksi kimia. Namun, pencitraan perjalanan ini telah sulit dipahami pada beberapa tingkatan karena sulit untuk mengisolasi elektron tunggal dari banyak elektron dalam atom, dan juga tidak mungkin untuk melakukannya dalam skala waktu yang sangat cepat di mana reaksi kimia terjadi.
Di SLAC, tim peneliti memutuskan untuk mencoba pendekatan baru yang melibatkan teori dan eksperimen. Menggunakan kekuatan lcls, x - ray laser, mereka menggunakan waktu - diselesaikan x - hamburan sinar - suatu bentuk pencitraan pada tingkat atom dan di dalam femtoseconds yang cukup sensitif untuk melacak distribusi elektron.
Tim ini dipimpin oleh Ian Gabalski, seorang Ph.D. student at Stanford University, Professor Philip Bucksbaum at the Stanford PULSE Institute, and Nanna List, an assistant professor of theoretical chemistry at KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and at the University of Birmingham, UK Gabalski led the experiment and data analysis, while List provided the theory and simulations that both guided the choice of reaction and later provided the key comparison required to establish that the experiment had indeed captured valence electron penataan ulang.
Untuk melacak dampak gerakan elektron, tim menciptakan selungkup amonia kepadatan - tinggi dan bersemangat dengan laser ultraviolet. Saat laser melewati gas, x - sinar dari LCLS menabrak elektron dan berserakan kembali. "Dan semuanya terjadi selama 500 femtoseconds," kata Gabalski.
Pada sebagian besar molekul, elektron inti, yang terikat erat pada atom, melebihi jumlah elektron valensi luar. Tetapi dalam molekul kecil dan ringan seperti amonia, yang terdiri dari atom nitrogen dan tiga atom hidrogen, elektron valensi jauh melebihi jumlah elektron inti. Itu berarti bahwa X - sinyal hamburan ray dari elektron valensi cukup kuat untuk melacaknya dan "lihat" bagaimana mereka bergerak sementara juga menyimpulkan posisi atom.
Para ilmuwan sudah tahu bahwa amonia yang dieksekusi foto berevolusi dari struktur di mana atom nitrogen dan hidrogen membentuk piramida menjadi satu di mana semua atom terletak di pesawat. Akhirnya, salah satu hidrogen terputus dari geometri planar ini dan fragmen molekul. Dengan teknik hamburan sinar X - mereka, para peneliti dapat membayangkan gerakan elektron yang mendorong penataan ulang nuklir ini.
Perhitungan daftar adalah kunci untuk menafsirkan data. "Biasanya kita harus menyimpulkan bagaimana elektron valensi bergerak selama reaksi daripada melihatnya secara langsung, tetapi di sini kita benar -benar bisa menyaksikan pengaturan ulang mereka dibuka melalui pengukuran langsung," kata List. "Itu adalah kolaborasi yang sangat bagus antara teori dan eksperimen."
Mengikuti jalur reaksi kimia yang berbeda
Melacak gerakan elektron valensi juga menyediakan jendela ke jalur yang berbeda yang dapat diambil oleh reaksi kimia, didorong oleh gerakan elektronik.
"Jika Anda mencoba mensintesis molekul untuk farmasi atau material baru, reaksi kimia itu selalu akan bercabang menjadi jalur yang diinginkan dan tidak diinginkan," kata Gabalski. "Ketika itu tidak berjalan seperti yang Anda inginkan, itu menciptakan produk sampingan. Jadi, jika Anda memahami cara kerjanya, maka Anda dapat mencari cara untuk mengarahkan reaksi itu ke arah yang Anda inginkan. Ini bisa menjadi alat yang sangat kuat untuk kimia secara umum."
Tim berharap untuk terus memperbaiki teknik mereka untuk menangkap gambar yang lebih baik, terutama dengan sinar X - yang lebih kuat setelah peningkatan LCLS baru -baru ini.
"Kita bisa melihat sinyal elektron valensi ini di lautan latar belakang inti elektron, yang membuka banyak jalan baru," kata List. "Itu adalah bukti konsep yang telah mendorong kita untuk mencoba melihat hal -hal yang belum pernah kita lihat sebelumnya."
