Світ науки став свідком безпрецедентного досягнення: вперше дослідникам вдалося безпосередньо зафіксувати рух окремого електрона під час хімічної реакції. Це визначне відкриття, здійснене за допомогою надшвидких рентгенівських імпульсів, відкриває нові обрії для розуміння фундаментальних процесів у матерії. Дослідження, оприлюднене 20 серпня в авторитетному науковому журналі Physical Review Letters, деталізує, як валентний електрон – той, що розташований на зовнішній оболонці атома і відіграє визначальну роль у хімічних зв’язках – переміщувався під час розпаду молекули аміаку.
Протягом десятиліть науковці використовували метод надшвидкого рентгенівського розсіювання для вивчення атомів та їхніх хімічних перетворень. Рентгенівські промені – це вид електромагнітного випромінювання з дуже короткою довжиною хвилі, що дозволяє їм проникати крізь речовину та відображати структуру на атомному рівні. Саме ця властивість робить їх ідеальними для візуалізації молекул. Завдяки надкоротким спалахам рентгенівських променів можна було “заморозити” в русі крихітні, швидкоплинні молекули. Однак існувала суттєва перешкода: рентгенівські промені інтенсивно взаємодіяли лише з внутрішніми електронами, що знаходяться близько до атомного ядра, тоді як валентні електрони – ті, що відповідають за самі хімічні реакції – залишалися невидимими.
“Ми хотіли сфотографувати саме ті електрони, які є рушійною силою цього руху”, – розповів Live Science Ієн Габальскі, докторант з фізики та провідний автор дослідження. Розуміння того, як валентні електрони рухаються під час хімічних реакцій, може суттєво допомогти в розробці ефективніших ліків, екологічно чистіших хімічних процесів та нових, досконаліших матеріалів, зазначає Габальскі.
Вибір об’єкта для дослідження: загадка аміаку
Щоб здійснити цей прорив, команді потрібно було знайти відповідну молекулу. Вибір припав на аміак – поширену хімічну сполуку (NH3), що складається з одного атома азоту та трьох атомів водню. Аміак відомий своїм характерним запахом і широким застосуванням у промисловості, зокрема у виробництві добрив та чистячих засобів.
“Аміак по-своєму особливий”, – пояснює Габальскі. “Оскільки він складається переважно з легких атомів, у ньому не так багато внутрішніх електронів, які б заглушили сигнал від зовнішніх. Отже, у нас був шанс дійсно побачити цей валентний електрон”.
Зазирнути у світ квантових орбіталей
Експеримент проводили в Національній прискорювальній лабораторії SLAC, що є одним з найпотужніших наукових центрів у США та світі, розташованим у Каліфорнії. Ця лабораторія має Лінійне когерентне джерело світла (LCLS) – унікальну установку, здатну генерувати надзвичайно інтенсивні та короткі рентгенівські імпульси, що є життєво важливим для таких швидкісних спостережень.
Спершу вчені стимулювали молекулу аміаку невеликим імпульсом ультрафіолетового світла. Це викликало “стрибок” одного з електронів на вищий енергетичний рівень. Зазвичай електрони в молекулах перебувають у станах з низькою енергією, але перехід на вищий рівень провокує хімічну реакцію. Після цього дослідники за допомогою рентгенівського променя фіксували, як “хмара” електрона змінювала своє положення, коли молекула починала розпадатися.
У квантовій фізиці – галузі, що вивчає поведінку матерії та енергії на атомному та субатомному рівнях – електрони не уявляються як крихітні кульки, що обертаються навколо ядра, наче планети. Натомість вони існують як “хмари ймовірності”. Як пояснює Габальскі, “вища щільність означає, що ви з більшою ймовірністю побачите електрон”. Ці хмари також відомі як орбіталі, і кожна з них має свою унікальну форму, яка залежить від енергії та розташування електрона.
Для точного відображення цієї електронної хмари команда використовувала квантово-механічні симуляції. Ці розрахунки дозволили визначити електронну структуру молекули. “Отже, програма, яку ми використовуємо для подібних обчислень, з’ясовує, де електрони заповнюють ці орбіталі навколо молекули”, – додав Габальскі.
Самі рентгенівські промені діють як хвилі. Коли вони проходять крізь хмару ймовірності електрона, вони розсіюються в різних напрямках, а потім “можуть інтерферувати між собою”, – пояснює Габальскі. Вимірюючи цю інтерференційну картину, команда змогла реконструювати зображення електронної орбіталі та побачити, як електрон рухався під час реакції.
Підтвердження та майбутні перспективи
Отримані результати були зіставлені з двома теоретичними моделями: одна враховувала рух валентних електронів, інша – ні. Дані експерименту ідеально збіглися з першою моделлю, остаточно підтвердивши, що вченим вдалося зафіксувати перегрупування електрона безпосередньо в момент дії.
Дослідники сподіваються адаптувати цю систему для використання в складніших, тривимірних середовищах, які краще імітують реальні тканини. Це відкриє шлях до застосування цієї технології у регенеративній медицині, наприклад, для вирощування або відновлення тканин за потребою, що може революціонізувати підходи до лікування багатьох захворювань та травм.
