Впервые в истории: учёные засняли движение электрона в реальном времени во время химической реакции
Учёные впервые использовали сверхбыстрые рентгеновские импульсы для прямого изображения движения одиночного электрона в ходе химической реакции.
В новом исследовании, опубликованном 20 августа в журнале Physical Review Letters, команда смогла запечатлеть, как валентный электрон — тот, что расположен во внешней оболочке атома — двигался при распаде молекулы аммиака.
Десятилетиями учёные применяли ультрабыстрое рентгеновское рассеяние для наблюдения за атомами и их реакциями. Метод использует сверхкороткие вспышки рентгеновских лучей, чтобы «заморозить» движение мельчайших и быстрых молекул. Рентгеновские лучи идеально подходят для такой задачи, поскольку их длина волны позволяет уловить детали на атомном уровне. Однако проблема заключалась в том, что рентген преимущественно взаимодействует с внутренними электронами, расположенными близко к ядру атома. Валентные электроны, определяющие химические свойства вещества, оставались «невидимыми».
«Мы хотели получить снимки именно тех электронов, которые управляют химическими процессами», — отметил в интервью Live Science Иэн Габельски, ведущий автор исследования и аспирант Стэнфордского университета. Понимание динамики валентных электронов, по его словам, может привести к прорывам в разработке лекарств, экологичных технологий и новых материалов.
Почему аммиак?
Команда выбрала аммиак (NH₃) из-за его уникальных свойств. «В нём мало тяжёлых атомов, поэтому внутренние электроны не заглушают сигнал от внешних. Это дало нам шанс увидеть валентные электроны», — пояснил Габельски.
Эксперимент провели в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, где установка Linac Coherent Light Source генерирует мощные короткие рентгеновские импульсы. Молекулу аммиака сначала «подсветили» ультрафиолетом, выведя один из электронов на более высокий энергетический уровень. Это инициировало химическую реакцию — распад молекулы. Затем с помощью рентгеновского излучения учёные зафиксировали, как электронное облако меняло форму в процессе реакции.
Квантовая реальность в деталях
Согласно квантовой физике, электроны существуют не как частицы, а как распределённые «облака» вероятности. Чем плотнее область облака, тем выше шанс обнаружить там электрон. Такие структуры называются орбиталями.
Чтобы визуализировать изменения орбитали, команда использовала квантово-механические расчёты. Когда рентгеновские лучи проходили через электронное облако, они рассеивались и интерферировали друг с другом. Анализ этой интерференционной картины позволил восстановить изображение орбитали и проследить перемещение электрона.
Результаты сравнили с двумя теоретическими моделями — с учётом движения валентных электронов и без. Данные совпали с первой, подтвердив, что учёным удалось запечатлеть перестройку электрона.
Следующие шаги
Исследователи планируют адаптировать метод для трёхмерных систем, например, биологических тканей. Это приблизит возможность применять технологию в регенеративной медицине, например, для контроля роста клеток или восстановления повреждённых органов. Кроме того, метод может усовершенствовать синтез новых материалов, таких как сверхпроводники или катализаторы для «зелёной» энергетики.
Что дальше?
Следующей целью станут более сложные молекулы, включая органические соединения. По словам Габельски, ключевой вызов — увеличить разрешение метода, чтобы различать электроны в молекулах с тяжелыми атомами. Успех в этом направлении откроет путь к управлению химическими реакциями на уровне отдельных электронов — мечте химиков и физиков всего мира.
