Vědci poprvé použili ultrarést rentgen Bliká, aby se pořídil přímý obraz jediného elektronu, když se pohyboval během chemické reakce.
V novém studieVědci, kteří byli zveřejněni 20. srpna v časopise Physical Review Letters, dosáhli tohoto neuvěřitelného činu zobrazením, jak se valenční elektron – elektron ve vnější skořápce atomu – při rozpadu amoniaku rozpadl.
Po celá desetiletí vědci použili k obrazu ultrarychlé rentgenové rozptyl atomy a jejich chemické reakce. Rozptyl používá supershortové výbuchy rentgenových paprsků k zamrznutí malých, rychle se pohybujících molekul v akci. Rentgenové paprsky mají perfektní rozsah vlnových délek pro zachycení detailů v atomové stupnici, a proto jsou ideální pro zobrazovací molekuly.
Rentgenové paprsky však silně interagují pouze s jádrovými elektrony poblíž jádra atomu. Valenční elektrony – nejvzdálenější elektrony v atomu a ty, které jsou skutečně zodpovědné za chemické reakce – byly skryty.
„Chtěli jsme fotit skutečné elektrony, které řídí tento pohyb,“ GabalsLIVE Science řekl doktorský student a vedoucí autor studie.
Pokud vědci mohou pochopit, jak se valenční elektrony pohybují během chemických reakcí, mohlo by jim to pomoci navrhnout lepší léky, čistší chemické procesy a účinnější materiály, řekl Gabalski.
Abychom mohli začít, tým potřeboval najít správnou molekulu. Ukázalo se, že to byl amoniak.
„Amoniak je trochu zvláštní,“ řekl Gabalski. „Protože má většinou atomy světla, není spousta jádrových elektronů, které by utopily signál z vnějších. Takže jsme měli šanci vidět ten valenční elektron.“
Experiment byl proveden na Slac National Accelerator Laboratory’s Linac Coherent Light zdrojZařízení, které produkuje intenzivní, krátké rentgenové impulsy. Za prvé, tým dal molekule amoniaku malý náraz ultrafialového světla, což způsobilo, že jeden z elektronů „skočil“ na vyšší energetickou úroveň. Elektrony v molekulách obvykle zůstávají v nízkoenergetických stavech, a pokud jsou tlačeny na vyšší, vyvolává chemickou reakci. Poté, s rentgenovým paprskem, vědci zaznamenali, jak se „oblak“ elektronů posunul, když se molekula začala rozpadat.
Související: Tvar světla: Vědci odhalují obraz jednotlivého fotonu poprvé
V Kvantová fyzikaElektrony nejsou považovány za malé koule obíhajícího jádra. Místo toho existují jako pravděpodobnostní mraky, „kde vyšší hustota znamená, že je pravděpodobnější, že uvidíte elektron,“ vysvětlil Gabalski. Tyto mraky jsou také známé jako orbitaly a každá z nich má zřetelný tvar v závislosti na energii a poloze elektronu.
Pro mapování tohoto elektronového cloudu běžel tým Kvantové mechanické Simulace pro výpočet elektronické struktury molekuly. „Takže nyní tento program, který používáme pro tyto druhy výpočtů, jde a zjistí, kde elektrony vyplňují ty orbitály kolem molekuly,“ řekl Gabalski.
Rentgenové paprsky se jednají jako vlny, a když procházejí cloudem pravděpodobnosti elektronů, rozptýlí se různými směry. „Ale pak tyto rentgenové paprsky mohou jít a zasahovat do sebe,“ řekl Gabalski. Měřením tohoto vzoru interference tým rekonstruoval obraz orbitálu elektronů a viděl, jak se elektron během reakce pohyboval.
Porovnali výsledky se dvěma teoretickými modely: ten, který zahrnoval valenční elektronový pohyb a ten, který ne. Data odpovídala prvnímu modelu a potvrdily, že zachytily přeskupení elektronů v akci.
Vědci doufají, že systém přizpůsobí systém pro použití ve složitějších 3D prostředích, které lépe napodobují skutečné tkáně. To by se posunulo blíže k aplikacím v regenerativní medicíně, jako je pěstování nebo opravy tkáně na vyžádání.
