Ученые впервые отследили движение одного электрона в ходе химической реакции

На графике показано, как ультрафиолетовый лазер (слева) фотоактивирует молекулу аммиака (синие и красные формы), вызывая как электронную, так и ядерную перестройку (в центре). Рентгеновские лучи (сверху слева) исследуют эволюцию электронной плотности, позволяя наблюдать движение электронов, ответственное за протекание реакции (справа). Автор: Иэн Габальски/Стэнфорд/Национальная ускорительная лаборатория SLAC

Валентные электроны, расположенные на внешней оболочке атома, играют важную роль в управлении химическими реакциями и образовании связей с другими атомами.

Однако визуализация этих частиц в процессе их работы является сложной задачей. Валентные электроны не только невероятно малы, но и образуют химические связи в течение фемтосекунд — квадриллионных долей секунды.

Теперь эксперимент в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США впервые объединил передовые рентгеновские технологии с современным моделированием и теорией для получения изображения влияния движения валентного электрона в реальном времени на протяжении всей химической реакции.

Используя чрезвычайно яркие рентгеновские импульсы от сверхбыстрого лазера на свободных электронах LCLS в SLAC, междисциплинарная команда отследила один валентный электрон, который управлял диссоциацией водорода от молекулы аммиака.

Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, могут помочь ученым лучше понять химию на фундаментальном уровне и более эффективно контролировать исходы химических реакций. Эти знания, в свою очередь, могут быть использованы для создания материалов и технологий следующего поколения.

Отслеживание валентного электрона во время реакции

Ученые годами пытались отследить движения одного электрона на протяжении химической реакции. Однако визуализация этого процесса оставалась труднодостижимой по нескольким причинам: было сложно изолировать отдельные электроны от множества электронов внутри атома, и невозможно было сделать это в чрезвычайно быстром временном масштабе, в котором протекают химические реакции.

В SLAC исследовательская группа решила опробовать новый подход, сочетающий теорию и эксперименты. Используя мощность LCLS, рентгеновского лазера, они применили метод рентгеновского рассеяния с временным разрешением — форму визуализации на атомном уровне и в пределах фемтосекунд, достаточно чувствительную для отслеживания распределения электронов, — и объединили эту технику с передовым моделированием и теорией.

Команду возглавили Иэн Габальски, аспирант Стэнфордского университета, профессор Филип Баксбаум из Стэнфордского института PULSE, и Нанна Лист, доцент теоретической химии в Королевском технологическом институте KTH (Швеция) и Бирмингемском университете (Великобритания). Габальски руководил экспериментом и анализом данных, а Лист предоставила теорию и моделирование, которые как направляли выбор реакции, так и впоследствии обеспечили ключевое сравнение, необходимое для подтверждения того, что эксперимент действительно зафиксировал перестройку валентных электронов.

Чтобы отследить влияние движения электронов, команда создала камеру с аммиаком высокой плотности и возбудила его ультрафиолетовым лазером. Когда лазер проходил через газ, рентгеновские лучи от LCLS попадали в электроны и рассеивались. «И всё это происходит в течение 500 фемтосекунд», — сказал Габальски.

В большинстве молекул внутренние электроны, прочно связанные с атомами, превосходят по количеству внешние валентные электроны. Но в небольших и легких молекулах, таких как аммиак, состоящий из атома азота и трех атомов водорода, валентные электроны значительно превосходят по числу внутренние. Это означает, что сигнал рентгеновского рассеяния от валентных электронов достаточно силен, чтобы отслеживать их и «видеть», как они двигались, одновременно определяя положения атомов.

Ученым уже было известно, что фотоактивированный аммиак эволюционирует от структуры, в которой атомы азота и водорода образуют пирамиду, к структуре, в которой все атомы лежат в одной плоскости. В конечном итоге один из атомов водорода отрывается от этой плоской геометрии и фрагментирует молекулу. С помощью своей техники рентгеновского рассеяния исследователи смогли визуализировать движение электронов, которое управляло этой ядерной перестройкой.

Расчеты Лист были ключевыми для интерпретации данных. «Обычно мы должны делать выводы о том, как движутся валентные электроны во время реакции, а не наблюдать их непосредственно, но здесь мы фактически могли наблюдать их перестройку с помощью прямых измерений», — сказала Лист. «Это было очень хорошее сотрудничество между теорией и экспериментом».

Наблюдение за различными путями химических реакций

Отслеживание движения валентных электронов также открывает окно в различные пути, которые могут принимать химические реакции, управляемые электронным движением.

«Если вы пытаетесь синтезировать молекулу для нового фармацевтического препарата или материала, эти химические реакции всегда будут разветвляться на желаемые и нежелательные пути», — сказал Габальски. «Когда реакция идет не так, как вы хотите, образуются побочные продукты. Поэтому, если вы понимаете, как это работает, вы можете выяснить, как направить эту реакцию в нужном вам направлении. Это может быть очень мощным инструментом для химии в целом».

Команда надеется продолжить совершенствовать свои методы для получения еще более качественных изображений, особенно с использованием еще более мощных рентгеновских пучков после недавнего обновления LCLS.

«Мы смогли увидеть эти сигналы валентных электронов на фоне внутренних электронов, что открывает множество новых возможностей», — сказала Лист. «Это была проверка концепции, которая подтолкнула нас попытаться увидеть то, что мы раньше не могли увидеть».

Больше информации: Ian Gabalski et al, Imaging Valence Electron Rearrangement in a Chemical Reaction Using Hard X-ray Scattering, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/53h3-vykl

Источник: SLAC National Accelerator Laboratory