Gildisrafeindir, sem staðsettar eru í ytri skel atómsins, gegna mikilvægu hlutverki við að knýja fram efnahvörf og mynda tengsl við önnur atóm.
En að mynda þessar agnir þar sem þær framkvæma þetta verk er erfiður. Ekki aðeins eru gildisrafeindir ótrúlega litlar, þær mynda einnig efnasambönd innan femtoseconds - aðeins fjórðunga sekúndu.
Nú hefur tilraun á SLAC National Accelerator Laboratory Department of Energy í fyrsta skipti sameinað Advanced X - geislatækni með klippingu - brún eftirlíkingar og kenningu til að mynda áhrif hreyfingar gildisrafeinda í rauntíma um efnafræðileg viðbrögð.
Með því að nota afar bjarta x - geislapúls úr Ultrafast Linac samhangandi ljósgjafa Slac (LCLS), fjöldi - stofnanateymi rak einn gildisrafeind þar sem það leiðbeindi vetnisdreifingu frá ammonia sameind.
Niðurstöðurnar, birtar í tímaritinuLíkamleg endurskoðun bréf, gæti hjálpað vísindamönnum að skilja bæði efnafræði betur á grundvallarstigi og stjórna betur árangri efnafræðilegra viðbragða. Sú þekking gæti aftur á móti verið virkjuð til að hanna næst - kynslóð efni og tækni.
Að fylgjast með gildisrafeind meðan á viðbrögðum stendur
Vísindamenn hafa reynt í mörg ár að fylgjast með tillögum eins rafeinda í efnafræðilegum viðbrögðum. Hins vegar hefur myndgreining þessa ferð verið fimmti á nokkrum stigum vegna þess að erfitt hefur verið að einangra stakar rafeindir frá mörgum rafeindum innan atóms og það hefur einnig verið ómögulegt að gera það innan mjög hröðra tímamarka sem efnafræðileg viðbrögð eiga sér stað.
Hjá SLAC ákvað rannsóknarteymi að prófa nýja nálgun sem fól í sér bæði kenningar og tilraunir. Með því að nota kraft lcls, x - geisla leysir, notuðu þeir tíma - leyst x - geisladreifingu - form myndgreiningar á atómstiginu og innan femtoseconds sem er næmt til að rekja rafeindadreifingu - og paveed the technology með framhaldi sipps og kenningar.
Liðinu var stýrt af Ian Gabalski, doktorsgráðu. Nemandi við Stanford háskólann, prófessor Philip Bucksbaum við Stanford Pulse Institute og Nanna List, lektor í fræðilegri efnafræði við Kth Royal Institute of Technolog Gildis rafeindaskipti.
Til að fylgjast með áhrifum rafeindahreyfingar skapaði teymið girðingu af háu - þéttleika ammoníaki og spennti það með útfjólubláum leysir. Þegar leysirinn fór í gegnum bensínið lenti x- geislar frá LCLs rafeindunum og dreifðir aftur út. „Og allt gerist á 500 femtoseconds,“ sagði Gabalski.
Í flestum sameindum eru kjarna rafeindir, sem eru þétt bundnar við frumeindir, yfir ytri gildisrafeindir. En í litlum og léttum sameindum eins og ammoníaki, sem samanstendur af köfnunarefnisatómi og þremur vetnisatómum, eru gildisrafeindirnar langt fjöldi kjarna rafeinda. Það þýðir að x - geisladreifingarmerki frá gildisrafeindunum er nógu sterk til að rekja þær og „sjá“ hvernig þeir hreyfðu sig á meðan þeir álykta einnig um stöðu frumeindanna.
Vísindamenn vissu nú þegar að PhotoExcited Ammoniak þróaðist frá uppbyggingu þar sem köfnunarefnis- og vetnisatómin mynda pýramída til þess sem öll atóm liggja í plani. Að lokum brýtur einn af vetnunum frá þessari planar rúmfræði og brotnar sameindina. Með X - geisladreifingartækni gátu vísindamennirnir myndað rafeindahreyfinguna sem rak þessa kjarnorkuskiptingu.
Útreikningar listans voru lykillinn að því að túlka gögnin. „Venjulega verðum við að álykta hvernig gildisrafeindir hreyfa sig meðan á viðbrögðum stendur frekar en að sjá þær beint, en hér gætum við raunverulega horft á endurröðun þeirra þróast með beinum mælingum,“ sagði List. „Þetta var mjög fínt samstarf kenninga og tilrauna.“
Eftir mismunandi efnafræðilegum viðbragðsleiðum
Að fylgjast með hreyfingu gildisrafeinda veitir einnig glugga inn á mismunandi slóðir sem efnafræðileg viðbrögð geta tekið, knúin áfram af rafrænni hreyfingu.
„Ef þú ert að reyna að mynda sameind fyrir nýtt lyf eða efni, þá eru þessi efnafræðileg viðbrögð alltaf að fara í bæði óskaðar og óæskilegar leiðir,“ sagði Gabalski. "Þegar það gengur ekki eins og þú vilt, þá skapar það aukaafurðir. Svo, ef þú skilur hvernig þetta virkar, þá geturðu fundið út hvernig á að stýra þeim viðbrögðum í þá átt sem þú vilt. Það gæti verið mjög öflugt tæki til efnafræði almennt."
Liðið vonast til að halda áfram að betrumbæta tækni sína til að taka enn betri myndir, sérstaklega með enn öflugri X - geisla geislar eftir nýlega uppfærslu LCLS.
„Við gætum séð þessi gildisrafeindamerki í sjónum með kjarna rafeinda bakgrunns, sem opnar margar nýjar leiðir,“ sagði List. „Það var sönnun fyrir hugmyndinni sem hefur ýtt okkur til að reyna að sjá hluti sem við höfum ekki getað séð áður.“
