Forståelse for, hvordan elektroner driver kemiske reaktioner

Et kejserligt ledet team af internationale forskere har brugt en speciel røntgenprobe til at få ny indsigt i, hvordan elektroner opfører sig på kvante-niveau.

Da elektroner driver mange kemiske reaktioner, metoden kunne føre til en dybere forståelse af fysik, kemi og biovidenskab og kunne i sidste ende hjælpe med at designe avancerede materialer og mere effektive solceller.

Teamet omfatter forskere fra hele Europa, USA og Japanledet af Imperials professor Jon Marangos, Lockyer stol i fysik. Deres papir er offentliggjort i open source-tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

Betydningen af ​​fotoexcitation

Det klassiske billede af et atom, som undervist på skoler rundt om i verden, forestiller sig en central kerne af protoner og neutroner pakket tæt sammen, omkring hvilke elektroner kredser som planeter omkring solen. Og ligesom planeter, elektronerne har forskellige baner, nogle tæt på centrum, nogle længere væk, afhængigt af deres energiniveau.

Selvom dette billede kun er en tilnærmelse, det kan være nyttigt til at forstå atomer og molekylers adfærd, for eksempel under fotoexcitation. Denne vigtige proces driver fotosyntesen og er afgørende for solenergiproduktion.

Her, lys rammer et molekyle, der får en elektron til at bevæge sig op til en højere energibane, efterlader et "elektronhul" og placerer molekylet i en ophidset tilstand, som derefter kan overføre energi til nærliggende dele af det udvidede molekylære system, opstart af en kæde af begivenheder, der i sidste ende driver fotosyntesen.

Professor Marangos forklarer, "Alle solcelledrevne processer involverer fotoexcitation, og det betyder i første omgang, at en elektron bevæger sig, og derefter reagerer resten af ​​systemet. Men vi forstår ikke helt, hvordan præcis den ophidsede elektron parrer til atombevægelsen i denne komplekse begivenhedskæde. "

Han tilføjer:"Vi er nu ved at indse, hvor vigtig solcelleexcitation sandsynligvis vil være for vores fremtid, og derfor foretager vi denne forskning, så vi virkelig kan få den mest detaljerede forståelse og finde måder at optimere koblingen mellem den indledende begivenhed og resultatet, der er teknologisk mest ønskeligt. "

Giver molekyler en røntgen

Ovenstående billede af elektroner som kredsløbende planeter er kun en tilnærmelse. Faktisk, kvantefysik fortæller os, at elektroner aldrig er placeret i en nøjagtig position på et givet tidspunkt.

Vi kan kun sige, at en bestemt elektron er, på sandsynlighedsbalancen, mere sandsynligt at være placeret på bestemte positioner, manifesteret sig som orbitaler. Nogle mennesker henviser til, at der er en "sky" eller "udtværing" af elektroner, som flyder og skifter som reaktion på hændelse som fotoekscitation.

Forskergruppen satte sig for at forstå disse elektrondynamikker, på kvante niveau, og spor ændringer øjeblik for øjeblik på niveauet for femtosekund (10 ^-15 sekunder eller en kvadrilliondel af et sekund).

Dette blev gjort ved hjælp af en specielt konfigureret røntgenlaser ved Linac Coherent Light Source (LCLS) i Stanford, USA På hvert skud leverer laseren to ultrakorte røntgenpulser adskilt af kun et par femtosekunder:Den første afbryder en elektron fra et molekyle isopropanol, der forlader et elektronhul og den anden, afgørende, sonder og måler hultilstandens bevægelse.

Teamet fandt ud af, at disse elektroniske hultilstande hurtigt "slapper af" i nye metastabile tilstande i molekylet, gennem omlægninger af positionerne for både elektroner og atomer.

Især de observerede, at elektronernes bevægelse, drevet af interaktioner med andre elektroner, kan gennemføres på meget korte tidsskalaer-kun få femtosekunder (10 ^-15 sekunder). De observerede også atomernes noget langsommere bevægelser, omkring 10 femtosekunder, hvilket fører til lempelse af elektronhulletilstanden, sådan, at de ikke længere blev opdaget af sonden.

Samarbejder og medforfatter til undersøgelsen, Dr. Taran Driver, fra Stanford University, kommenterede, "Med dette arbejde har vi været i stand til at demonstrere en ny teknik til måling af den ultrahurtige elektronbevægelse, der sker efter fotoekscitation - hvilket er relevant for en række vigtige processer som f.eks. Solenergiproduktion eller strålingsskader i levende systemer.

"Det særligt spændende ved denne metode er, at røntgenstrålerne lader os se, på hvilket atomsted i molekylet elektronhullet er sat på et givet tidspunkt, med evnen til at spore den, når den bevæger sig over kun et par femtosekunder eller endda attosekunder. "

En dybere viden om grundlæggende processer

Metoden udviklet af teamet til at undersøge elektrondynamik kunne nu bruges mere bredt til at studere større molekyler og mere komplekse materialer.

Ultimativt, en dybere viden om disse grundlæggende processer kunne bruges til at udvikle avancerede materialer og styre fotokemiske reaktioner - for eksempel i forbindelse med design af solceller.

Professor Marangos forklarer, "Ved hjælp af denne metode, du kunne udlede det i et bestemt materiale, du mister en masse spændinger til en eller anden kanal, og så er spørgsmålet, hvordan du konstruerer det materiale, så du ikke mister excitationer gennem den kanal og får en mere effektiv overførsel til det ønskede resultat. Det er en langsigtet motivation for det, vi gør. "