Mae electronau falens, sydd wedi'u lleoli yng nghragen fwyaf allanol atom, yn chwarae rhan bwysig wrth yrru adweithiau cemegol a ffurfio bondiau ag atomau eraill.
Ond mae delweddu'r gronynnau hyn wrth iddynt gyflawni'r gwaith hwn yn anodd. Nid yn unig y mae electronau falens yn anhygoel o fach, maent hefyd yn ffurfio bondiau cemegol o fewn femtoseconds - dim ond cwadriliwn o eiliad.
Nawr, mae arbrawf yn Labordy Cyflymydd Cenedlaethol SLAC yr Adran Ynni, am y tro cyntaf, wedi cyfuno technoleg pelydr X - uwch gyda thorri efelychiadau ymyl - ymyl a theori i ddelweddu effaith cynnig electron falens mewn amser real trwy gydol adwaith cemegol.
Gan ddefnyddio corbys pelydr x - hynod o ddisglair o ffynhonnell golau cydlynol Linac ultrafast Slac (LCLS), roedd tîm sefydliadol aml - yn olrhain electron falens sengl wrth iddo dywys y daduniad hydrogen o foleciwl amonia anmonia.
Y canlyniadau, a gyhoeddwyd yn y cyfnodolynLlythyrau Adolygu Corfforol, gallai helpu gwyddonwyr ill dau ddeall cemeg yn well ar lefel sylfaenol a rheoli canlyniadau adweithiau cemegol yn well. Gellid harneisio'r wybodaeth honno, yn ei thro i ddylunio deunyddiau a thechnolegau cenhedlaeth nesaf -.
Olrhain electron falens yn ystod adwaith
Mae gwyddonwyr wedi ceisio ers blynyddoedd i olrhain cynigion un electron trwy gydol adwaith cemegol. Fodd bynnag, mae delweddu'r siwrnai hon wedi bod yn anodd dod o hyd iddynt ar sawl lefel oherwydd ei bod wedi bod yn anodd ynysu electronau sengl o'r nifer o electronau o fewn atom, ac mae hefyd wedi bod yn amhosibl gwneud hynny o fewn yr amserlen hynod gyflym y mae adweithiau cemegol yn digwydd arno.
Yn SLAC, penderfynodd tîm ymchwil roi cynnig ar ddull newydd a oedd yn cynnwys theori ac arbrofion. Gan ddefnyddio pŵer LCLS, laser pelydr x {-, fe wnaethant ddefnyddio amser - wedi'i ddatrys x - pelydr yn gwasgaru - math o ddelweddu ar y lefel atomig ac o fewn femtosecondau ymlaen llaw ac yn sensitif i}} Digonol i} Digon} theori.
Arweiniwyd y tîm gan Ian Gabalski, Ph.D. student at Stanford University, Professor Philip Bucksbaum at the Stanford PULSE Institute, and Nanna List, an assistant professor of theoretical chemistry at KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and at the University of Birmingham, UK Gabalski led the experiment and data analysis, while List provided the theory and simulations that both guided the choice of reaction and later provided the key comparison required to establish that the experiment had indeed captured aildrefnu electronau falens.
Er mwyn olrhain effaith cynnig electronau, creodd y tîm amgáu amonia dwysedd - uchel a'i gyffroi â laser uwchfioled. Wrth i'r laser basio trwy'r nwy, mae pelydrau x - o LCLs yn taro'r electronau ac yn gwasgaru yn ôl allan. "Ac mae'r holl beth yn digwydd yn ystod 500 o femtosecondau," meddai Gabalski.
Yn y mwyafrif o foleciwlau, mae'r electronau craidd, sy'n rhwym yn dynn i atomau, yn fwy na'r electronau falens allanol. Ond mewn moleciwlau bach ac ysgafn fel amonia, sy'n cynnwys atom nitrogen a thri atom hydrogen, mae'r electronau falens yn llawer mwy na'r electronau craidd. Mae hynny'n golygu bod y signal gwasgaru pelydr x - o'r electronau falens yn ddigon cryf i'w holrhain a "gweld" sut y gwnaethon nhw symud tra hefyd yn casglu safleoedd yr atomau.
Roedd gwyddonwyr eisoes yn gwybod bod amonia ffotofoledig yn esblygu o strwythur lle mae'r atomau nitrogen a hydrogen yn ffurfio pyramid i un lle mae pob atom yn gorwedd mewn awyren. Yn y pen draw, mae un o'r hydrogenau yn torri i ffwrdd o'r geometreg planar hon ac yn darnio'r moleciwl. Gyda'u techneg gwasgaru pelydr x -, roedd yr ymchwilwyr yn gallu delweddu'r cynnig electron a yrrodd yr aildrefnu niwclear hwn.
Roedd cyfrifiadau List yn allweddol i ddehongli'r data. "Fel rheol mae'n rhaid i ni gasglu sut mae electronau falens yn symud yn ystod adwaith yn hytrach na'u gweld yn uniongyrchol, ond yma gallem wylio eu haildrefnu mewn gwirionedd yn datblygu trwy fesuriadau uniongyrchol," meddai List. "Roedd yn gydweithrediad braf iawn rhwng theori ac arbrofi."
Yn dilyn gwahanol lwybrau ymateb cemegol
Mae olrhain cynnig electronau falens hefyd yn darparu ffenestr i'r gwahanol lwybrau y gall adweithiau cemegol eu cymryd, sy'n cael eu gyrru gan y cynnig electronig.
"Os ydych chi'n ceisio syntheseiddio moleciwl ar gyfer fferyllol neu ddeunydd newydd, mae'r ymatebion cemegol hynny bob amser yn mynd i gangen i mewn i lwybrau a ddymunir ac annymunol," meddai Gabalski. "Pan nad yw'n mynd y ffordd rydych chi eisiau, mae'n creu sgil -gynhyrchion. Felly, os ydych chi'n deall sut mae hyn yn gweithio, yna gallwch chi ddarganfod sut i lywio'r ymateb hwnnw i'r cyfeiriad rydych chi ei eisiau. Gallai fod yn offeryn pwerus iawn ar gyfer cemeg yn gyffredinol."
Mae'r tîm yn gobeithio parhau i fireinio eu technegau i ddal delweddau hyd yn oed yn well, yn enwedig gyda thrawstiau pelydr X - hyd yn oed yn fwy pwerus ar ôl uwchraddio'r LCLS diweddar.
"Fe allen ni weld y signalau electronau falens hyn yn y môr o gefndir electron craidd, sy'n agor llawer o lwybrau newydd," meddai List. "Roedd yn brawf o gysyniad sydd wedi ein gwthio i geisio gweld pethau nad ydym wedi gallu eu gweld o'r blaen."
