Фемтосекундный лазер отследил единичные электроны во время химической реакции23.08.2025 09:16

Валентные электроны, расположенные во внешней оболочке атома, играют ключевую роль в протекании химических реакций и образовании связей с другими атомами. Но визуализировать эти частицы в процессе реакции непросто. Они не только невероятно малы, но и образуют химические связи за фемтосекунды — 10–15с.

В ходе эксперимента, проведенного в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, впервые были объединены передовые рентгеновские технологии с новейшими методами моделирования для визуализации движения валентного электрона в реальном времени на протяжении всей химической реакции.

Используя чрезвычайно яркие рентгеновские импульсы от сверхбыстрого источника когерентного света LCLS-II линейного ускорителя SLAC, объединенная команда ученых из нескольких институтов отслеживала один-единственный валентный электрон, направлявший диссоциацию водорода из молекулы аммиака.

Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, могут помочь ученым понять фундаментальные законы химии и контролировать результаты химических реакций. Эти знания, в свою очередь, могут быть использованы для разработки материалов и технологий нового поколения.

Ученые годами пытались отследить движение отдельного электрона в ходе химической реакции. Однако визуализация этого движения была затруднена по нескольким причинам: было сложно выделить отдельные электроны из множества электронов в атоме, и было просто невозможно сделать это в чрезвычайно коротких временных рамках химических реакций.

В SLAC группа исследователей решила попробовать новый подход, сочетающий в себе теорию и эксперименты. Используя мощь рентгеновского лазера LCLS, они применили метод рассеяния рентгеновских лучей с временным разрешением — форму визуализации на атомном уровне в пределах фемтосекунд, достаточно чувствительную для отслеживания распределения электронов, — и объединили этот метод с передовым компьютерным моделированием.

Команду возглавляли Ян Габальски, аспирант Стэнфордского университета и Нанна Лист, доцент химии Королевского технологического института KTH в Швеции и Бирмингемского университета в Великобритании. Габальски руководил экспериментом и анализом данных, Лист отвечала за теорию и моделирование, которые определили выбор реакции, а затем обеспечили ключевое сравнение, необходимое для установления того, что эксперимент действительно зафиксировал перегруппировку валентных электронов.

Для отслеживания движения электронов команда создала оболочку из аммиака высокой плотности и возбудила атомы азота и водорода ультрафиолетовым лазером. Когда лазерный импульс проходил через газ, рентгеновские лучи от LCLS отражались от электронов. Все это происходит в течение 500 фемтосекунд.

В большинстве молекул число электронов, прочно связанных с атомными ядрами, превышает число внешних валентных электронов. Но в небольших и легких молекулах, таких как аммиак, состоящий из атома азота и трех атомов водорода, число валентных электронов значительно превышает число пассивных. Это означает, что сигнал рентгеновского рассеяния от валентных электронов достаточно силен, чтобы отслеживать их и «видеть», как они движутся, а также определять положение атомов.

Ученым уже было известно, что фотовозбужденный аммиак переходит из структуры, в которой атомы азота и водорода образуют подобие пирамиды (условно вверху азот, внизу атомы водорода), в структуру, в которой все атомы лежат в одной плоскости (атом азота в центре). В конце концов один из атомов водорода отрывается от этой плоской структуры и фрагментирует молекулу. Используя метод рентгеновского рассеяния, исследователи смогли визуализировать движение, вызывающее эту перестройку.

Расчеты Лист сыграли ключевую роль в интерпретации данных. Исследователь отметила что обычно приходится делать умозрительные выводы о движении валентных электронов во время реакции, а не наблюдать их напрямую. В данном случае ученые могли фактически наблюдать их перегруппировку посредством прямых измерений.

Эмпирическая визуализация движения валентных электронов также дает представление о различных путях, по которым могут протекать химические реакции.

Группа ученых надеется продолжить совершенствование своих методов для получения еще более качественных изображений после недавней модернизации LCLS.

О самом мощном шведском лазере,  способном генерировать аттосекундные (10–18с) импульсы, мы недавно рассказали здесь.