Elektronbevægelser i væske målt i super-slowmotion

Elektroner er i stand til at bevæge sig inden for molekyler, når de exciteres udefra eller i løbet af en kemisk reaktion. For første gang, det er nu lykkedes forskere at studere de første dusin attosekunder af denne elektronbevægelse i en væske.

For at forstå, hvordan kemiske reaktioner begynder, kemikere har brugt super-slowmotion-eksperimenter i årevis til at studere de allerførste øjeblikke af en reaktion. Disse dage, målinger med en opløsning på et par dusin attosekunder er mulige. Et attosekund er 1x10 ^-18 (en kvintilliontedel) af et sekund, dvs. en milliontedel af en milliontedel af en milliontedel af et sekund.

"I disse første dusin attosekunder af en reaktion, du kan allerede observere, hvordan elektroner skifter inden for molekyler, " forklarer Hans Jakob Wörner, professor ved Laboratoriet for Fysisk Kemi ved ETH Zürich. "Senere, i løbet af omkring 10, 000 attosekunder, eller 10 femtosekunder, kemiske reaktioner resulterer i bevægelser af atomer op til og inklusive brydning af kemiske bindinger."

Fem år siden, ETH-professoren var en af ​​de første videnskabsmænd, der opdagede elektronbevægelser i molekyler på attosekundskalaen. Imidlertid, indtil nu, sådanne målinger kunne kun udføres på molekyler i gasform, fordi de finder sted i et højvakuumkammer.

Forsinket transport af elektroner fra væsken

Efter at have bygget nyt måleudstyr, Det er nu lykkedes Wörner og hans kolleger at opdage sådanne bevægelser i væsker. Til denne ende, forskerne brugte fotoemission i vand:De bestrålede vandmolekyler med lys, får dem til at udsende elektroner, som de så kunne måle. "Vi valgte at bruge denne proces til vores undersøgelse, fordi det er muligt at starte den med høj tidsmæssig præcision ved hjælp af laserpulser, "Siger Wörner.

De nye målinger foregik også i højvakuum. Wörner og hans team sprøjtede en 25 mikrometer tynd vandmikrojet ind i målekammeret. Dette gav dem mulighed for at opdage, at elektroner udsendes fra vandmolekyler i flydende form 50 til 70 attosekunder senere end fra vandmolekyler i dampform. Tidsforskellen skyldes, at molekylerne i flydende form er omgivet af andre vandmolekyler, som har en målbar forsinkelsesvirkning på individuelle molekyler.

Vigtigt skridt

"Elektronbevægelser er nøglebegivenhederne i kemiske reaktioner. Det er derfor, det er så vigtigt at måle dem på en højopløselig tidsskala, "Wörner siger." Skridtet fra målinger i gasser til målinger i væsker er af særlig betydning, fordi de fleste kemiske reaktioner - især dem, der er biokemisk interessante - finder sted i væsker. "

Blandt dem, der er mange processer, som fotoemission i vand, udløses også af lysstråling. Disse omfatter fotosyntese i planter, de biokemiske processer på vores nethinde, der gør os i stand til at se, og skader på DNA forårsaget af røntgenstråler eller anden ioniserende stråling. Ved hjælp af attosecond målinger, forskere bør få ny indsigt i disse processer i de kommende år.