Les électrons de valence, situés dans la coquille la plus externe d'un atome, jouent un rôle important dans la conduite des réactions chimiques et la formation de liaisons avec d'autres atomes.
Mais l'imagerie de ces particules telles qu'elles effectuent ce travail est délicate. Non seulement les électrons de valence sont incroyablement petits, mais ils forment également des liaisons chimiques dans des fémtosecondes - de simples quadrillions de seconde.
Maintenant, une expérience au Laboratoire national d'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie a, pour la première fois, combiné la technologie avancée X -} avec des simulations de bords - et de la théorie pour imaginer l'impact du mouvement d'un électron de valence en temps réel tout au long d'une réaction chimique.
En utilisant des impulsions de rayons X - extrêmement brillantes à partir de la source de lumière cohérente ultrafast de SLAC (LCLS), une équipe institutionnelle multi - a suivi un électron de valence unique car il a guidé la dissociation de l'hydrogène d'une molécule d'ammoniac.
Les résultats, publiés dans la revueLettres d'examen physique, pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre la chimie à un niveau fondamental et mieux contrôler les résultats des réactions chimiques. Cette connaissance, à son tour, pourrait être exploitée pour concevoir les matériaux et les technologies de génération - suivants.
Suivre un électron de valence lors d'une réaction
Les scientifiques ont essayé depuis des années de suivre les mouvements d'un seul électron tout au long d'une réaction chimique. Cependant, l'imagerie de ce voyage a été insaisissable à plusieurs niveaux car il a été difficile d'isoler des électrons uniques à partir des nombreux électrons dans un atome, et il a également été impossible de le faire dans le délai extrêmement rapide sur lequel les réactions chimiques ont lieu.
Au SLAC, une équipe de recherche a décidé d'essayer une nouvelle approche qui impliquait à la fois la théorie et les expériences. En utilisant la puissance de LCLS, un laser Ray X -, ils ont utilisé le temps - a résolu x - diffusion de rayons - Une forme d'imagerie au niveau atomique et dans les Femtoseconds FemtoseCles qui est suffisamment sensible pour suivre la distribution électronique - et a appuyé la technique avec des simulations électroniques et la théorie.
L'équipe était dirigée par Ian Gabalski, un doctorat. L'étudiant de l'Université de Stanford, le professeur Philip Bucksbaum au Stanford Pulse Institute et la liste Nanna, professeur adjoint de chimie théorique au KTH Royal Institute of Technology, Suède, et à l'Université de Birmingham, au Royaume-Uni Gabal réarrangement.
Pour suivre l'impact du mouvement électronique, l'équipe a créé une enceinte d'ammoniac de densité élevée - et l'a excitée avec un laser ultraviolet. Alors que le laser passait à travers le gaz, les rayons x - de LCLS ont frappé les électrons et sont dispersés. "Et le tout se produit au cours de 500 Femtosecondes", a déclaré Gabalski.
Dans la plupart des molécules, les électrons centraux, qui sont étroitement liés aux atomes, sont plus nombreux que les électrons de valence extérieure. Mais dans les petites molécules légères comme l'ammoniac, qui se compose d'un atome d'azote et de trois atomes d'hydrogène, les électrons de valence sont de loin plus nombreux que les électrons centraux. Cela signifie que le signal de diffusion x - des électrons de la valence est suffisamment fort pour les suivre et "voir" comment ils se sont déplacés tout en déduisant les positions des atomes.
Les scientifiques savaient déjà que l'ammoniac photoexcité évolue à partir d'une structure dans laquelle les atomes d'azote et d'hydrogène forment une pyramide à celui dans lequel tous les atomes se trouvent dans un plan. Finalement, l'un des hydrogènes se détache de cette géométrie plane et fragmente la molécule. Avec leur technique de diffusion X - {les chercheurs, les chercheurs ont pu imaginer le mouvement d'électrons qui a conduit ce réarrangement nucléaire.
Les calculs de la liste étaient essentiels pour interpréter les données. "Normalement, nous devons déduire comment les électrons de valence se déplacent lors d'une réaction plutôt que de les voir directement, mais ici, nous pourrions réellement regarder leur réarrangement se dérouler à travers des mesures directes", a déclaré List. "Ce fut une très belle collaboration entre la théorie et l'expérience."
Suivant différentes voies de réaction chimique
Le suivi du mouvement des électrons de valence fournit également une fenêtre sur les différents chemins que les réactions chimiques peuvent prendre, entraînées par le mouvement électronique.
"Si vous essayez de synthétiser une molécule pour un nouveau pharmaceutique ou un matériau, ces réactions chimiques vont toujours se ramifier dans les voies souhaitées et indésirables", a déclaré Gabalski. "Quand cela ne se passe pas comme vous le souhaitez, cela crée des sous-produits. Donc, si vous comprenez comment cela fonctionne, vous pouvez comprendre comment diriger cette réaction dans la direction que vous voulez. Cela pourrait être un outil très puissant pour la chimie en général."
L'équipe espère continuer à affiner ses techniques pour capturer des images encore meilleures, en particulier avec des rayons X - encore plus puissants après la récente mise à niveau LCLS.
"Nous avons pu voir ces signaux d'électrons de valence dans le fond de la mer de l'électron, qui ouvre de nombreuses nouvelles avenues", a déclaré List. "C'était une preuve de concept qui nous a poussés à essayer de voir des choses que nous n'avons pas pu voir auparavant."
