Forskere rapporterer første kig på elektroner, der bevæger sig i realtid i flydende vand

I et eksperiment, der ligner stop-motion fotografering, har videnskabsmænd isoleret en elektrons energiske bevægelse, mens de "fryser" bevægelsen af ​​det meget større atom, den kredser om i en prøve af flydende vand.

Resultaterne, rapporteret i tidsskriftet Science , giver et nyt vindue ind i den elektroniske struktur af molekyler i væskefasen på en tidsskala, der tidligere var uopnåelig med røntgenstråler. Den nye teknik afslører den umiddelbare elektroniske reaktion, når et mål rammes med en røntgenstråle, et vigtigt skridt i forståelsen af ​​virkningerne af strålingseksponering på genstande og mennesker.

"De kemiske reaktioner induceret af stråling, som vi ønsker at studere, er resultatet af den elektroniske reaktion fra målet, der sker på attosekundets tidsskala," sagde Linda Young, en seniorforfatter af forskningen og Distinguished Fellow ved Argonne National Laboratory.

"Indtil nu kunne strålingskemikere kun løse begivenheder på picosecond-tidsskalaen, en million gange langsommere end et attosecond. Det er lidt ligesom at sige 'Jeg blev født, og så døde jeg'. Du vil gerne vide, hvad der sker i mellem, det er det, vi nu er i stand til."

En multi-institutionel gruppe af forskere fra flere nationale laboratorier og universiteter i Department of Energy i USA og Tyskland kombinerede eksperimenter og teori for i realtid at afsløre konsekvenserne, når ioniserende stråling fra en røntgenkilde rammer stoffet.

At arbejde på tidsskalaerne, hvor handlingen sker, vil give forskerholdet mulighed for at forstå kompleks strålingsinduceret kemi dybere. Faktisk gik disse forskere oprindeligt sammen for at udvikle de nødvendige værktøjer til at forstå effekten af ​​langvarig udsættelse for ioniserende stråling på de kemikalier, der findes i atomaffald.

"Medlemmer af vores netværk i den tidlige karriere deltog i eksperimentet og sluttede sig derefter til vores fulde eksperimentelle og teoretiske teams for at analysere og forstå dataene," sagde Carolyn Pearce, IDREAM EFRC-direktør og en PNNL-kemiker. "Vi kunne ikke have gjort dette uden IDREAM-partnerskaberne."

Fra Nobelprisen til marken

Subatomære partikler bevæger sig så hurtigt, at indfangning af deres handlinger kræver en sonde, der er i stand til at måle tid i attosekunder, en tidsramme så lille, at der er flere attosekunder i et sekund, end der har været sekunder i universets historie.

Den nuværende undersøgelse bygger på den nye videnskab om attosekundsfysik, anerkendt med Nobelprisen i fysik i 2023. Attosecond røntgenimpulser er kun tilgængelige i en håndfuld specialiserede faciliteter verden over. Dette forskerhold udførte deres eksperimentelle arbejde ved Linac Coherent Light Source (LCLS), der ligger ved SLAC National Accelerator Laboratory, i Menlo Park, Californien, hvor det lokale hold var pionerer i udviklingen af ​​attosecond X-ray frielektronlasere.

"Attosecond-tidsopløste eksperimenter er en af ​​flagskibs-F&U-udviklingerne ved Linac Coherent Light Source," sagde Ago Marinelli fra SLAC National Accelerator Laboratory, som sammen med James Cryan ledede udviklingen af ​​det synkroniserede par X-ray attosecond pumpe/sonde-impulser, som dette eksperiment brugte. "Det er spændende at se denne udvikling blive anvendt til nye former for eksperimenter og tage attosecond-videnskaben i nye retninger."

Teknikken udviklet i denne undersøgelse, al røntgenstråle-attosekunds transient absorptionsspektroskopi i væsker, gjorde det muligt for dem at "se" elektroner tilført af røntgenstråler, når de bevæger sig ind i en ophidset tilstand, alt før den mere omfangsrige atomkerne når at bevæge sig. De valgte det flydende vand som deres testcase til et eksperiment.

"Vi har nu et værktøj, hvor du i princippet kan følge elektronernes bevægelse og se nyioniserede molekyler, som de dannes i realtid," sagde Young, der også er professor ved Institut for Fysik og James Franck. Institut ved University of Chicago.

Disse nyligt rapporterede resultater løser en langvarig videnskabelig debat om, hvorvidt røntgensignaler set i tidligere eksperimenter er resultatet af forskellige strukturelle former eller "motiver" af vand- eller brintatomdynamik. Disse eksperimenter viser endegyldigt, at disse signaler ikke er beviser for to strukturelle motiver i omgivende flydende vand.

"Dybest set, hvad folk så i tidligere eksperimenter var sløringen forårsaget af bevægelige brintatomer," sagde Young. "Vi var i stand til at eliminere den bevægelse ved at lave alle vores optagelser, før atomerne nåede at bevæge sig."

Fra simple til komplekse reaktioner

Forskerne forestiller sig det aktuelle studie som begyndelsen på en helt ny retning for attosecond-videnskab.

For at gøre opdagelsen gik PNNL eksperimentelle kemikere sammen med fysikere ved Argonne og University of Chicago, røntgenspektroskopispecialister og acceleratorfysikere ved SLAC, teoretiske kemikere ved University of Washington og attosecond videnskabsteoretikere fra Hamburg Center for Ultrafast Imaging og Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), i Hamborg, Tyskland.

Under den globale pandemi, i 2021 og ind i 2022, brugte PNNL-teamet teknikker udviklet hos SLAC til at sprøjte et ultratyndt ark rent vand hen over røntgenpumpens pulsvej.

"Vi havde brug for et flot, fladt, tyndt lag vand, hvor vi kunne fokusere røntgenstrålerne," sagde Emily Nienhuis, en kemiker i den tidlige karriere hos PNNL, som startede projektet som en post-doc forskningsmedarbejder. "Denne kapacitet blev udviklet på LCLS." På PNNL demonstrerede Nienhuis, at denne teknik også kan bruges til at studere de specifikke koncentrerede løsninger, der er centrale for IDREAM EFRC og vil blive undersøgt i næste fase af forskningen.

Fra eksperiment til teori

Da røntgendataene var blevet indsamlet, anvendte den teoretiske kemiker Xiaosong Li og kandidatstuderende Lixin Lu fra University of Washington deres viden om fortolkning af røntgensignalerne til at reproducere de signaler, der blev observeret ved SLAC. CFEL-teamet, ledet af teoretiker Robin Santra, modellerede det flydende vands reaktion på attosekunds røntgenstråler for at verificere, at det observerede signal faktisk var begrænset til attosecond-tidsskalaen.

"Ved at bruge Hyak-supercomputeren ved University of Washington udviklede vi en banebrydende beregningskemiteknik, der muliggjorde detaljeret karakterisering af de forbigående højenergikvantetilstande i vand," sagde Li, Larry R. Dalton Endowed Chair in Chemistry ved University of Washington og en Laboratory Fellow ved PNNL.

"Dette metodologiske gennembrud gav et afgørende fremskridt i forståelsen på kvanteniveau af ultrahurtig kemisk transformation, med enestående nøjagtighed og detaljer på atomniveau."

Principal Investigator Young startede undersøgelsen og overvågede dens udførelse, som blev ledet på stedet af førsteforfatter og postdoc Shuai Li. Fysiker Gilles Doumy, også fra Argonne, og kandidatstuderende Kai Li fra University of Chicago var en del af holdet, der udførte eksperimenterne og analyserede dataene. Argonne's Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science brugerfacilitet, hjalp med at karakterisere vandplademålet.

Sammen fik forskerholdet et kig på elektronernes bevægelse i realtid i flydende vand, mens resten af ​​verden stod stille.

"Den metodologi, vi udviklede, tillader studiet af oprindelsen og udviklingen af ​​reaktive arter produceret af strålingsinducerede processer, såsom stødt på rumrejser, kræftbehandlinger, atomreaktorer og ældre affald," sagde Young.

Flere oplysninger: Shuai Li et al, Attosecond-pump attosecond-probe røntgenspektroskopi af flydende vand, Science (2024). DOI:10.1126/science.adn6059. www.science.org/doi/10.1126/science.adn6059

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Pacific Northwest National Laboratory