Os elétrons de valência, localizados na concha mais externa de um átomo, desempenham um papel importante na condução de reações químicas e na formação de ligações com outros átomos.
Mas imaginar essas partículas à medida que realizam esse trabalho é complicado. Os elétrons de valência não apenas são incrivelmente pequenos, mas também formam ligações químicas dentro de femtossegundos - meros quadrilhões de segundo.
Agora, um experimento no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia tem, pela primeira vez, a tecnologia avançada X -} com corte - simulações e teoria para imaginar o impacto do movimento de um elétron de valência em tempo real durante uma reação química.
Usando pulsos de raio extremamente brilhantes x - da fonte de luz coerente Linac Ultrafast Linac (LCLS), uma equipe institucional multi - rastreou um único elétron de valência, pois guiou a dissociação de hidrogênio de uma molécula de amônia.
Os resultados, publicados na revistaCartas de revisão física, poderia ajudar os cientistas a entender melhor a química em um nível fundamental e a controlar melhor os resultados das reações químicas. Esse conhecimento, por sua vez, poderia ser aproveitado para projetar os próximos materiais e tecnologias de geração -.
Rastreando um elétron de valência durante uma reação
Os cientistas tentaram há anos rastrear os movimentos de um único elétron durante uma reação química. No entanto, a imagem dessa jornada foi ilusória em vários níveis, porque tem sido difícil isolar elétrons únicos dos muitos elétrons dentro de um átomo e também foi impossível fazê -lo dentro da escala de tempo extremamente rápida em que as reações químicas ocorrem.
Na SLAC, uma equipe de pesquisa decidiu tentar uma nova abordagem que envolvia teoria e experimentos. Using the power of LCLS, an X-ray laser, they used time-resolved X-ray scattering-a form of imaging at the atomic level and within femtoseconds that is sensitive enough to track the electron distribution-and paired the technique with advanced simulations and theory.
A equipe foi liderada por Ian Gabalski, um Ph.D. O aluno da Universidade de Stanford, o professor Philip Bucksbaum, no Stanford Pulse Institute, e Nanna List, professor assistente de química teórica no Kth Royal Institute of Technology, na Suécia, e na Universidade de Birmingham, o Reino Unido Gabalski liderou o experimento e a análise de dados, enquanto a listou a teoria e as simulações que o reino
Para rastrear o impacto do movimento eletrônico, a equipe criou um gabinete de amônia de densidade - e excitou com um laser ultravioleta. À medida que o laser passava pelo gás, os raios x - de LCLs atingem os elétrons e espalhados de volta. "E a coisa toda acontece no decorrer de 500 femtossegundos", disse Gabalski.
Na maioria das moléculas, os elétrons do núcleo, que estão fortemente ligados aos átomos, superam os elétrons de valência externa. Mas em moléculas pequenas e leves como a amônia, que consiste em um átomo de nitrogênio e três átomos de hidrogênio, os elétrons de valência superam em muito os elétrons do núcleo. Isso significa que o sinal de espalhamento de raio x - dos elétrons de valência é forte o suficiente para rastreá -los e "ver" como eles se moveram enquanto também inferem as posições dos átomos.
Os cientistas já sabiam que a amônia fotoexcitada evolui a partir de uma estrutura na qual os átomos de nitrogênio e hidrogênio formam uma pirâmide para uma na qual todos os átomos estão em um plano. Eventualmente, um dos hidrogênios se rompe com essa geometria plana e fragmenta a molécula. Com sua técnica de espalhamento de raio x -, os pesquisadores conseguiram imaginar o movimento do elétron que dirigia esse rearranjo nuclear.
Os cálculos da lista foram essenciais para interpretar os dados. "Normalmente, temos que inferir como os elétrons de valência se movem durante uma reação, em vez de vê -los diretamente, mas aqui poderíamos realmente assistir o rearranjo deles se desenrolando através de medições diretas", disse List. "Foi uma colaboração muito boa entre teoria e experimento".
Seguindo diferentes vias de reação química
O rastreamento do movimento dos elétrons de valência também fornece uma janela para os diferentes caminhos que as reações químicas podem seguir, acionadas pelo movimento eletrônico.
"Se você está tentando sintetizar uma molécula para um novo farmacêutico ou material, essas reações químicas sempre se ramificarão nas vias desejadas e indesejadas", disse Gabalski. "Quando isso não vai do jeito que você deseja, cria subprodutos. Então, se você entender como isso funciona, pode descobrir como orientar essa reação na direção que deseja. Pode ser uma ferramenta muito poderosa para a química em geral".
A equipe espera continuar refinando suas técnicas para capturar imagens ainda melhores, especialmente com feixes de raios X - ainda mais poderosos após a recente atualização do LCLS.
"Pudemos ver esses sinais de elétrons de valência no mar de fundo de elétrons do núcleo, que abre muitas novas avenidas", disse List. "Foi uma prova de conceito que nos levou a tentar ver coisas que não conseguimos ver antes".
