تلعب إلكترونات التكافؤ ، الموجودة في القشرة الخارجية للذرة ، دورًا مهمًا في قيادة التفاعلات الكيميائية وتشكيل الروابط مع ذرات أخرى.
لكن تصوير هذه الجسيمات لأنها تؤدي هذا العمل أمر صعب. ليس فقط إلكترونات التكافؤ صغيرة بشكل لا يصدق ، بل تشكل أيضًا روابط كيميائية داخل FemtoSeconds - لمرة من المليون من الثانية.
الآن ، قامت تجربة مختبر SLAC National Accelerator التابع لوزارة الطاقة ، لأول مرة ، بدمج تقنية الأشعة المتقدمة X - مع قطع محاكاة الحافة - لتصوير تأثير حركة الإلكترون التكافؤ في الوقت الحقيقي طوال رد الفعل الكيميائي.
باستخدام نبضات الأشعة X - من مصدر الضوء المتماسك من SLAC من SLAC (LCLS) ، قام فريق مؤسسي متعدد- بتتبع إلكترون تكافؤ واحد لأنه يوجه تفكك الهيدروجين من جزيء الأمونيا.
النتائج ، المنشورة في المجلةرسائل المراجعة البدنية، يمكن أن تساعد العلماء على فهم الكيمياء بشكل أفضل على مستوى أساسي والتحكم بشكل أفضل في نتائج التفاعلات الكيميائية. يمكن تسخير هذه المعرفة ، بدورها ، لتصميم مواد وتقنيات توليد الجيل التالي -.
تتبع إلكترون التكافؤ أثناء رد الفعل
لقد حاول العلماء لسنوات تتبع حركات إلكترون واحد خلال التفاعل الكيميائي. ومع ذلك ، فإن التصوير هذه الرحلة بعيدة المنال على عدة مستويات لأنه كان من الصعب عزل الإلكترونات الفردية عن العديد من الإلكترونات داخل الذرة ، وكان من المستحيل أيضًا القيام بذلك ضمن النطاق الزمني السريع للغاية الذي تحدث فيه التفاعلات الكيميائية.
في SLAC ، قرر فريق الأبحاث تجربة نهج جديد ينطوي على كل من النظرية والتجارب. باستخدام قوة LCLS ، ليزر X- ، استخدموا الوقت - حل X - Ray Scattering - شكلاً من أشكال التصوير على المستوى الذري وداخل Femtoseconds التي تكون حساسة بما يكفي لتتبع توزيع الإلكترون {}}}.
قاد الفريق إيان جابالسكي ، دكتوراه طالب في جامعة ستانفورد ، البروفيسور فيليب باكسباوم في معهد ستانفورد بولس ، وقائمة نانا ، أستاذ مساعد في الكيمياء النظرية في معهد كول رويال للتكنولوجيا ، والسويد ، وفي جامعة برمنغهام ، قام جابالسكي بتقديم التجربة المطلوبة إلى التجربة المطلوبة إلى التجربة المطلوبة إلى التجربة المطلوبة إلى التجربة المطلوبة لتصرف التجربة. إعادة ترتيب.
لتتبع تأثير حركة الإلكترون ، أنشأ الفريق حاوية من الأمونيا عالية الكثافة- وأثنيها مع الليزر فوق البنفسجي. عندما مرت الليزر عبر الغاز ، ضربت الأشعة X - من LCLs الإلكترونات وانتشرت للخلف. وقال جابالسكي: "ويحدث الأمر برمته خلال 500 من فيمتوثانية".
في معظم الجزيئات ، يفوق عدد الإلكترونات الأساسية ، التي ترتبط بإحكام بالذرات ، إلكترونات التكافؤ الخارجي. ولكن في جزيئات صغيرة وخفيفة مثل الأمونيا ، والتي تتكون من ذرة النيتروجين وثلاث ذرات هيدروجين ، تفوق إلكترونات التكافؤ على الإلكترونات الأساسية. هذا يعني أن إشارة نثر الأشعة X - من إلكترونات التكافؤ قوية بما يكفي لتتبعها و "انظر" كيف تحركت أثناء استنتاج مواقف الذرات.
عرف العلماء بالفعل أن الأمونيا الضوئية تتطور من هيكل تشكل فيه ذرات النيتروجين والهيدروجين هرمًا إلى تلك التي تقع فيها جميع الذرات في الطائرة. في نهاية المطاف ، ينفصل أحد الهيدروجين من هذه الهندسة المستوية وشظايا الجزيء. من خلال تقنية نثر الأشعة X - ، تمكن الباحثون من تصوير حركة الإلكترون التي دفعت هذا الترتيب النووي.
كانت حسابات القائمة مفتاح تفسير البيانات. وقالت القائمة: "عادةً ما يتعين علينا أن نستنتج كيف تتحرك إلكترونات التكافؤ أثناء رد الفعل بدلاً من رؤيتها مباشرة ، ولكن هنا يمكننا أن نشاهد فعليًا إعادة ترتيبها تتكشف من خلال القياسات المباشرة". "لقد كان تعاونًا لطيفًا للغاية بين النظرية والتجربة."
بعد مسارات التفاعل الكيميائي المختلفة
يوفر تتبع حركة إلكترونات التكافؤ أيضًا نافذة في المسارات المختلفة التي يمكن أن تتخذها التفاعلات الكيميائية ، مدفوعة بالحركة الإلكترونية.
وقال جابالسكي: "إذا كنت تحاول تجميع جزيء لصالح صيدلانية أو مادة جديدة ، فإن هذه التفاعلات الكيميائية ستنفجر دائمًا في كل من المسارات المطلوبة وغير المرغوب فيها". "عندما لا يسير الأمر بالطريقة التي تريدها ، فإنها تخلق منتجات ثانوية. لذا ، إذا فهمت كيف يعمل هذا ، فيمكنك معرفة كيفية توجيه رد الفعل في الاتجاه الذي تريده. يمكن أن يكون أداة قوية للغاية للكيمياء بشكل عام."
يأمل الفريق في الاستمرار في تحسين تقنياتهم لالتقاط صور أفضل ، خاصة مع وجود أشعة X - بعد ترقية LCLS الأخيرة.
وقالت قائمة "يمكننا أن نرى إشارات الإلكترون في التكافؤ في بحر خلفية الإلكترون الأساسية ، والتي تفتح العديد من السبل الجديدة". "لقد كان دليلًا على المفهوم الذي دفعنا إلى محاولة رؤية الأشياء التي لم نتمكن من رؤيتها من قبل."
