Znajdź zawartość

Naukowcy z jednych z najlepszych uczelni i instytutów badawczych z USA, Niemiec, Wielkiej Brytanii i Szwecji są pierwszymi, którzy prześledzili w czasie rzeczywistym ruch pojedynczego elektronu podczas całej reakcji chemicznej. Podczas niezwykłego eksperymentu wykorzystali ekstremalnie jasne źródło promieniowania X, Linac Coherent Light Source znajdujące się w SLAC National Accelerator Laboratory. Osiągnięcie to pozwoli lepiej zrozumieć reakcje chemiczne na najbardziej podstawowym poziomie i lepiej kontrolować wyniki takiej reakcji. Taką wiedzę można zaś wykorzystać podczas opracowywania materiałów i technologii przyszłych generacji. Kluczową rolę w reakcjach chemicznych odgrywają elektrony walencyjne, znajdujące się na najbardziej zewnętrznej powłoce atomu. Ich obrazowanie jest jednak niezwykle trudne. Nie tylko – jak wszystkie elektrony – są niezwykle małe, ale tworzą wiązania chemiczne w czasie femtosekund, biliardowych części sekundy. Uczeni od lat próbowali zobrazować elektron podczas tworzenia wiązań chemicznych. Dotychczas się nie udawało, gdyż niezwykle trudno jest wyizolować pojedynczy elektron z atomu, a jeszcze trudniej jest śledzić go w czasie femtosekund. Dopiero teraz wyczynu tego dokonał zespół, na którego czele stali Ian Gabalski, doktorant z Uniwersytetu Stanforda, profesor Philip Bucksbaum ze Stanford PULSE Institute oraz profesor Nanna List ze szwedzkiego Królewskiego Instytutu Technologii. Chcąc śledzić elektrony naukowcy stworzyli pojemnik z gęstym amoniakiem w stanie gazowym i wzbudzili gaz za pomocą ultrafioletowego lasera. W tym momencie włączono LCLS i promieniowanie rentgenowskie trafiło w elektrony i na nich się rozproszyło. W większości molekuł liczba elektronów powłok wewnętrznych znacznie przewyższa liczbę elektronów walencyjnych. Jednak w niewielkich lekkich molekułach, jak amoniak – przypomnijmy, że składa się on z atomu azotu i trzech atomów wodoru – to elektrony walencyjne mają znaczną przewagę liczbową. A to oznacza, że sygnał pochodzący z promieniowania rentgenowskiego rozproszonego na elektronach walencyjnych jest wystarczająco silny, by obserwować właśnie ten rodzaj elektronów. Naukowcy już wcześniej wiedzieli, że wzbudzone za pomocą światła molekuły amoniaku przechodzą ze struktury, w której atomy tworzą piramidę, do takiej, w której leżą na jednej płaszczyźnie. W końcu jeden z atomów wodoru wyłamuje się z tej struktury i dochodzi do przegrupowania. Badacze byli teraz w stanie śledzić ruch elektronu związany z tą zmianą struktury. Zwykle musimy zakładać, jak elektrony walencyjne poruszają się w czasie reakcji, jednak tutaj mogliśmy bezpośrednio zmierzyć ten ruch, mówi Nanna List, która wykonała obliczenia wyjaśniające zarejestrowane dane. Ian Gabalski tak wyjaśnia znacznie dokonanej obserwacji: Gdy próbujesz zsyntetyzować molekułę nowego leku lub materiału, dochodzi do reakcji chemicznych, które przebiegają zarówno w sposób pożądany, jak i niepożądany. Te niepożądane reakcje skutkują pojawieniem się produktów ubocznych. Jednak gdy rozumiesz, jak to wszystko działa, możesz opracować metodę sterowania reakcją tak, by osiągać tylko oczekiwane rezultaty. To może być potężne narzędzie w całej dziedzinie chemii. Eksperyment opisano szczegółowo na łamach Physical Review Letters. « powrót do artykułu

Grafen ma wiele zalet i jedną poważną wadę – brak pasma wzbronionego, przez co nie nadaje się do użycia w roli półprzewodnika. Możliwe jest jednak sztuczne wytworzenie pasma wzbronionego w grafenie poprzez dołączenie do niego atomów wodoru. Naukowcy z Göttingen i Pasadeny zarejestrowali właśnie jedną z najszybciej przebiegających reakcji chemicznych, jakie kiedykolwiek badano – niezwykły obraz atomów wodoru łączących się z grafenem. Uczeni bombardowali grafen atomami wodoru. Wodór zachowywał się nieco inaczej, niż się spodziewaliśmy, mówi Alec Wodtke z Wydziału Dynamiki Powierzchni Instytutu Chemii Biofizycznej im. Maksa Plancka i profesor Instytutu Chemii Fizycznej z Uniwersytetu w Göttingen. Zamiast natychmiast odlatywać od grafenu, atomy wodoru na chwilę przyklejały się do atomów węgla i dopiero później się od nich odbijały. Tworzyły czasowe wiązanie chemiczne, wyjaśnia. Naukowców zaintrygowało jeszcze jedno zjawisko. Otóż atomy wodoru miały dużą energię przed spotkaniem z grafenem. Gdy zaś go opuszczały ich energia była znacznie niższa. Jej większość traciły podczas zderzenia, lecz nie było jasne, co się z tą energią stało. Naukowcy z Göttingen i ich koledzy z Caltechu (California Institute of Technology), chcąc wyjaśnić zagadkę zaginionej energii, opracowali model teoretyczny, który przetestowali na komputerze, a uzyskane wyniki porównali z wynikami eksperymentów. Jako, że okazały się one zgodne, naukowcy mogli odtworzyć to, co w ciągu femtosekund zachodziło pomiędzy węglem a wodorem. To wiązanie chemiczne istnieje przez około 10 femtosekund. To jedna z najszybszych bezpośrednio zaobserwowanych reakcji chemicznych, mówi Alexander Kandratsenka z Göttingen. W ciągu tych 10 femtosekund atom wodoru przekazuje niemal całą swoją energię atomowi węgla w grafenie. Prowadzi do do powstania fali dźwiękowej, która rozprzestrzenia się na zewnątrz od miejsca, w którym atomy się zetknęły. Przypomina to propagację fali powstającej po wrzuceniu kamienia do wody, wyjaśnia uczony. To między innymi dzięki tej fali dźwiękowej atom wodoru łatwiej niż przypuszczano łączy się z atomem węgla. Uzyskane wyniki mogą mieć fundamentalne znaczenie dla przemysłu i możliwości wykorzystania grafenu w roli półprzewodnika. Jednak same eksperymenty wymagały olbrzymiej wiedzy, zasobów i odpowiedniego sprzętu. Musieliśmy prowadzić je w warunkach próżni niemal doskonałej, by utrzymać grafen w czystości, mówią badacze. Ponadto samo odpowiednie przygotowanie atomów wodoru wymagało wykorzystania olbrzymiej liczby systemu laserowych. « powrót do artykułu