Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Bước đầu tiên trong nhiều phản ứng hóa học điều khiển ánh sáng, như phản ứng quang hóa và tầm nhìn của con người, là sự thay đổi trong cách sắp xếp các electron của phân tử khi chúng hấp thụ năng lượng của ánh sáng. Sự sắp xếp lại tinh tế này mở đường cho mọi thứ tiếp theo và xác định cách tiến hành phản ứng. Bây giờ các nhà khoa học đã lần đầu tiên nhìn thấy cách đám mây điện tử của phân tử bay ra trước khi bất kỳ hạt nhân nguyên tử nào của nó phản ứng.
Bước đầu tiên trong nhiều phản ứng hóa học điều khiển ánh sáng, như phản ứng quang hóa và tầm nhìn của con người, là sự thay đổi trong cách sắp xếp các electron của phân tử khi chúng hấp thụ năng lượng của ánh sáng. Sự sắp xếp lại tinh tế này mở đường cho mọi thứ tiếp theo và xác định cách tiến hành phản ứng.
Lần đầu tiên các nhà khoa học đã nhìn thấy bước đầu tiên này trực tiếp, quan sát cách đám mây điện tử của phân tử bay ra trước khi bất kỳ hạt nhân nguyên tử nào trong phân tử phản ứng.
Mặc dù phản ứng này đã được dự đoán trên lý thuyết và được phát hiện gián tiếp nhưng đây là lần đầu tiên nó được chụp trực tiếp bằng tia X trong một quá trình được gọi là tạo phim phân tử, mục tiêu cuối cùng của nó là quan sát cách cả electron và hạt nhân hoạt động trong thời gian thực khi liên kết hóa học hình thành hoặc phá vỡ.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Brown, Đại học Edinburgh và Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng đã báo cáo những phát hiện của họ trong Truyền thông Tự nhiên (Nature Communications) ngày hôm nay.
“Trong các bộ phim phân tử trong quá khứ, chúng ta đã có thể thấy hạt nhân nguyên tử di chuyển như thế nào trong một phản ứng hóa học”, Peter Weber, giáo sư hóa học tại Brown và là tác giả chính của báo cáo cho biết. “Nhưng chính liên kết hóa học là kết quả của sự phân phối lại các electron, là vô hình. Bây giờ cánh cửa đang mở để xem các liên kết hóa học thay đổi trong các phản ứng.”
Một mô hình cho các phản ứng sinh học quan trọng
Đây là bộ phim mới nhất trong loạt phim phân tử có sự tham gia của 1,3-cyclohexadiene, hay CHD, một phân tử hình vòng có nguồn gốc từ dầu thông. Trong khí áp suất thấp, các phân tử của nó trôi nổi tự do và dễ nghiên cứu, và nó đóng vai trò là mô hình quan trọng cho các phản ứng sinh học phức tạp hơn như tạo ra vitamin D khi ánh sáng mặt trời chiếu vào da bạn.
Trong các nghiên cứu cách đây gần 20 năm, các nhà khoa học đã nghiên cứu cách vòng của CHD bị phá vỡ khi ánh sáng chiếu vào nó – đầu tiên là bằng kỹ thuật nhiễu xạ electron, và gần đây là với “máy ảnh điện tử” của Me, SLV và tia laser điện tử tia X , Nguồn sáng kết hợp Linac (LCLS). Những nghiên cứu này và các nghiên cứu khác trên thế giới đã tiết lộ cách phản ứng tiến hành chi tiết hơn và tốt hơn.
Bốn năm trước, các nhà nghiên cứu từ Brown, SLAC và Edinburgh đã sử dụng LCLS để tạo ra một bộ phim phân tử của vòng CHD bay xa nhau – bộ phim phân tử đầu tiên được ghi lại bằng tia X. Thành tựu này được liệt kê là một trong 75 đột phá khoa học quan trọng nhất xuất hiện từ phòng thí nghiệm quốc gia DOE, bên cạnh những khám phá như giải mã DNA và phát hiện neutrino.
Nhưng không có thí nghiệm nào trước đó có thể quan sát bước xáo trộn electron ban đầu bởi vì không có cách nào để phản ứng nó ngoài những chuyển động lớn hơn nhiều của hạt nhân nguyên tử của phân tử.
Electron trong ánh đèn sân khấu
Trong nghiên cứu này, một nhóm thử nghiệm do Weber dẫn đầu đã thực hiện một cách tiếp cận hơi khác: Họ đã bắn các mẫu khí CHD bằng bước sóng ánh sáng laser kích thích các phân tử vào trạng thái tồn tại trong một khoảng thời gian tương đối dài – 200 femtos giây, hoặc một phần triệu của một phần tỷ giây – vì vậy cấu trúc điện tử của chúng có thể được phát hiện bằng các xung laser tia X LCLS.
Adam Kirrander, giảng viên cao cấp tại Edinburgh và đồng tác giả cao cấp của nghiên cứu cho biết thêm: “Sự tán xạ tia X đã được sử dụng để xác định cấu trúc của vật chất trong hơn 100 năm qua nhưng đây là lần đầu tiên cấu trúc điện tử của một trạng thái phấn khích đã được quan sát trực tiếp. “
Kỹ thuật được sử dụng được gọi là tán xạ tia X không cộng hưởng, đo lường sự sắp xếp các electron trong một mẫu và nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ nắm bắt được những thay đổi trong phân bố electron khi phân tử hấp thụ ánh sáng. Phép đo của họ cho thấy kỳ vọng đó: Mặc dù tín hiệu từ các electron yếu, các nhà nghiên cứu có thể nắm bắt rõ ràng cách đám mây điện tử biến dạng thành một đám mây khuếch tán lớn hơn tương ứng với trạng thái điện tử bị kích thích.
Điều quan trọng là phải quan sát những thay đổi điện tử này trước khi hạt nhân bắt đầu di chuyển.
Haiwang Yong, nghiên cứu sinh tại Đại học Brown, tác giả chính của báo cáo cho biết: “Trong một phản ứng hóa học, hạt nhân nguyên tử di chuyển và thật khó để tách tín hiệu từ các phần khác thuộc liên kết hóa học hình thành hoặc phá vỡ. Trong nghiên cứu này, sự thay đổi vị trí của hạt nhân nguyên tử tương đối nhỏ trong khoảng thời gian đó, vì vậy chúng tôi có thể thấy chuyển động của các electron ngay sau khi phân tử hấp thụ ánh sáng.”
Michael Minitti, nhà khoa học nhân sự cấp cao của SLAC nói thêm: “Chúng tôi đang chụp ảnh các electron này khi chúng di chuyển và dịch chuyển xung quanh. Điều này mở đường cho việc theo dõi các chuyển động của electron trong và xung quanh sự phá vỡ liên kết và hình thành liên kết trực tiếp và trong thời gian thực; nhiếp ảnh.”
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia DOE / SLAC . Bản gốc được viết bởi Glennda Chui. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :