Para ilmuwan menonton gerakan elektron tunggal selama reaksi kimia untuk pertama kalinya
Untuk pertama kalinya, para ilmuwan telah menggunakan UltraFast X-ray Flash untuk mengambil gambar langsung dari elektron tunggal saat bergerak selama reaksi kimia.
Di yang baru belajarditerbitkan 20 Agustus dalam jurnal Fisik Review Letters, para peneliti mencapai prestasi luar biasa ini dengan pencitraan bagaimana elektron valensi – elektron di cangkang luar atom – bergerak ketika molekul amonia pecah terpisah.
Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah menggunakan hamburan sinar-X ultrafast untuk gambar atom dan reaksi kimianya. Hamburan menggunakan semburan rontgen supershort untuk membekukan molekul kecil yang bergerak cepat. Sinar-X memiliki rentang panjang gelombang yang sempurna untuk menangkap detail pada skala atom, itulah sebabnya mereka ideal untuk molekul pencitraan.
Namun, rontgen berinteraksi dengan kuat hanya dengan elektron inti di dekat nukleus atom. Elektron valensi – elektron terluar dalam atom dan yang sebenarnya bertanggung jawab atas reaksi kimia – disembunyikan.
“Kami ingin mengambil gambar elektron yang sebenarnya yang menggerakkan gerakan itu,” Gabalseorang mahasiswa doktoral fisika dan penulis utama penelitian ini, mengatakan kepada Live Science.
Jika para ilmuwan dapat memahami bagaimana elektron valensi bergerak selama reaksi kimia, itu dapat membantu mereka merancang obat yang lebih baik, proses kimia yang lebih bersih, dan bahan yang lebih efisien, kata Gabalski.
Untuk memulai, tim perlu menemukan molekul yang tepat. Ternyata amonia.
“Amonia agak istimewa,” kata Gabalski. “Karena sebagian besar memiliki atom ringan, tidak ada banyak elektron inti untuk menenggelamkan sinyal dari yang luar. Jadi kami memiliki kesempatan untuk benar -benar melihat elektron valensi itu.”
Percobaan dilakukan di Sumber cahaya koheren linac laboratorium SLAC SLAC Nationalsebuah fasilitas yang menghasilkan pulsa sinar-X yang intens dan pendek. Pertama, tim memberi molekul amonia sedikit menyentak sinar ultraviolet, yang membuat salah satu elektron “melompat” ke tingkat energi yang lebih tinggi. Elektron dalam molekul biasanya tetap dalam keadaan berenergi rendah, dan jika mereka didorong ke yang lebih tinggi, ia memicu reaksi kimia. Kemudian, dengan sinar-X, para peneliti mencatat bagaimana “awan” elektron bergeser saat molekul mulai pecah.
Terkait: Bentuk Cahaya: Para ilmuwan mengungkapkan gambar foton individu untuk pertama kalinya
Di dalam Fisika Quantumelektron tidak dipandang sebagai bola kecil yang mengorbit nukleus. Sebaliknya, mereka ada sebagai awan probabilitas, “di mana kepadatan yang lebih tinggi berarti Anda lebih cenderung melihat elektron,” jelas Gabalski. Awan -awan ini juga dikenal sebagai orbital, dan masing -masing memiliki bentuk yang berbeda tergantung pada energi dan posisi elektron.
Untuk memetakan awan elektron ini, tim berlari mekanik kuantum Simulasi untuk menghitung struktur elektronik molekul. “Jadi sekarang program yang kami gunakan untuk perhitungan semacam ini berjalan dan mencari tahu di mana elektron mengisi orbital -orbital di sekitar molekul,” kata Gabalski.
Sinar-X itu sendiri bertindak seperti gelombang, dan ketika mereka melewati awan probabilitas elektron, mereka menyebar ke arah yang berbeda. “Tapi kemudian sinar-X itu bisa pergi dan saling mengganggu,” kata Gabalski. Dengan mengukur pola interferensi ini, tim merekonstruksi gambar orbital elektron dan melihat bagaimana elektron bergerak selama reaksi.
Mereka membandingkan hasilnya dengan dua model teoritis: satu yang termasuk gerakan elektron valensi, dan satu yang tidak. Data cocok dengan model pertama, mengkonfirmasi bahwa mereka telah menangkap penataan ulang elektron dalam aksi.
Para peneliti berharap untuk mengadaptasi sistem untuk digunakan di lingkungan 3D yang lebih kompleks yang lebih baik meniru jaringan nyata. Itu akan menggerakkannya lebih dekat ke aplikasi dalam kedokteran regeneratif, seperti menumbuhkan atau memperbaiki jaringan sesuai permintaan.
