Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Jiao Tong της Σαγκάης παρουσίασαν μια πρωτοποριακή προσέγγιση για την παρατήρηση χημικών αντιδράσεων σε πραγματικό χρόνο, παρακολουθώντας με ακρίβεια την κίνηση των ηλεκτρονίων και των ατομικών πυρήνων καθώς ένα μόριο διασπάται. Η στρατηγική αυτή, που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters, χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για την απεικόνιση της φωτοδιάσπασης της αμμωνίας (NH₃).
Η πρόκληση της ταχύτητας των ηλεκτρονίων
Κατά τη διάρκεια των χημικών αντιδράσεων, οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων σπάνε και αναδιατάσσονται, σχηματίζοντας διαφορετικά προϊόντα. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την κίνηση τόσο των ηλεκτρονίων όσο και των πυρήνων, η οποία διαρκεί μόλις μερικά εκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου (femtoseconds).
«Η διερεύνηση της δυναμικής των ηλεκτρονίων έχει ουσιαστική σημασία για την προώθηση της θεμελιώδους φυσικής και για την εφαρμοσμένη έρευνα στις επιστήμες των υλικών και της χημείας», δήλωσε ο Dao Xiang, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. Με την έλευση της βραβευμένης με Νόμπελ τεχνολογίας attosecond, η ανίχνευση αυτών των κινήσεων εισέρχεται σε μια νέα εποχή.
Η μέθοδος UED και η ανάλυση CPDF
Η ομάδα χρησιμοποίησε την υπερταχεία περίθλαση ηλεκτρονίων (UED) για να παρατηρήσει τη φωτοδιάσπαση της αμμωνίας. Η διαδικασία περιλαμβάνει:
- Χρήση παλμού λέιζερ στα ~200 nm για τη διέγερση των μορίων NH₃.
- Αλληλεπίδραση ενός παλμού ηλεκτρονίων MeV με τα μόρια-στόχους.
- Καταγραφή του μοτίβου περίθλασης που περιέχει πληροφορίες για την πυκνότητα φορτίου και τη δομή του μορίου.
Η καινοτομία της εργασίας έγκειται στην εφαρμογή της ανάλυσης Συνάρτησης Κατανομής Ζευγών Φορτίου (CPDF). Αυτή η μέθοδος επέτρεψε στους επιστήμονες να οπτικοποιήσουν ξεχωριστά την εξέλιξη των ζευγών:
- Ηλεκτρονίου-ηλεκτρονίου
- Πυρήνα-πυρήνα
- Ηλεκτρονίου-πυρήνα
Καταγράφοντας την κίνηση του υδρογόνου
Η απεικόνιση της κίνησης του υδρογόνου θεωρείται παραδοσιακά εξαιρετικά δύσκολη λόγω της χαμηλής διατομής σκέδασης και της γρήγορης κίνησής του. Ωστόσο, η υψηλή χωροχρονική ανάλυση της πειραματικής διάταξης του Xiang επέτρεψε την απεικόνιση της κίνησης «ομπρέλας» της αμμωνίας και της επακόλουθης διάσπασης του δεσμού N-H.
Η ανάλυση αποκάλυψε πλούσια δεδομένα, όπως η μετάβαση ηλεκτρονικών τροχιακών, η δυναμική εξέλιξη της ηλεκτρονικής πυκνότητας και οι συσχετίσεις ηλεκτρονίου-ηλεκτρονίου, οι οποίες συχνά επισκιάζονται από τα σήματα των βαρύτερων ατόμων.
Ένα νέο εργαλείο για την κβαντική επιστήμη
Αυτή η μελέτη ωθεί τα όρια της UED στην αποκάλυψη λεπτών σημάτων που προηγουμένως ήταν αόρατα. Στο μέλλον, η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να συνδυαστεί με την υπερταχεία περίθλαση ακτίνων Χ και τη φασματοσκοπία attosecond.
«Θα επεκτείνουμε πλέον τη μεθοδολογία μας σε άλλα μοριακά συστήματα, αποδεικνύοντας την ικανότητα της περίθλασης ηλεκτρονίων να ανιχνεύει την αναδιάταξη των ηλεκτρονίων σθένους ακόμη και σε σύνθετα οργανικά μόρια», πρόσθεσε ο Xiang.
Λεπτομέρειες δημοσίευσης
Tianyu Wang et al, Διερεύνηση της Δυναμικής των Ηλεκτρονίων Σθένους και του Υδρογόνου Χρησιμοποιώντας Απεικόνιση Ζευγαριού Φόρτισης με Υπερταχεία Περίθλαση Ηλεκτρονίων, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/kny2-gf5x . Στο arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2506.21047
Πληροφορίες περιοδικού: Physical Review Letters, arXiv