Forskare har lyckats studera reaktioner på en helt ny detaljnivå
Ett internationellt forskarteam har lyckats studera kemiska reaktioner på den hittills mest detaljerade nivån – genom att spåra en enda valenselektron när ammoniak sönderfaller vid absorption av ljus. Detta är ett viktigt steg mot att kunna se elektroner som är involverade i kemiska bindningar och reaktivitet.
– Det låter oss studera fysik och kemi på ett sätt som vi inte kunde tidigare”, säger Nanna Holmgaard List.
Valenselektroner är atomens yttersta elektroner och definierar dess kemiska beteende. De delas mellan atomer och ansvarar för att bilda och bryta bindningar, leda elektrisk ström och driver kemiska reaktioner inom allt från biologi till batterier.
På grund av sin storlek och hastighet är valenselektroner dock ganska svåra att studera i detalj. Men nyligen lyckades ett forskarteam från Stanford University, KTH och University of Birmingham göra just det i ett experiment vid SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornien. Med hjälp av en gigantisk röntgenlaser fick de direkta bilder av enskilda valenselektroner i sönderfallande ammoniak.
– Kemi drivs av elektroner, hur de rör sig, hur de binder atomer samman, hur de förändras under reaktioner. Men att faktiskt se dessa elektroner i aktion är oerhört svårt. Denna forskning för oss närmare just det, säger Nanna Holmgaard List.
Svårfångade
För att förstå hur svåra dessa reaktioner är att studera kan det vara värt att veta att forskarteamet experiment fångade valensbindningselektronerna under några hundra femtosekunder. Det går 1015 femtosekunder på en sekund.
Enligt Nanna Holmgaard List kan resultaten jämföras med att justera bildkontrasten för att avslöja en svag detalj som tidigare var osynlig. Genom att arbeta med ammoniak kunde forskarna få valenselektronerna att sticka ut mot bakgrunden av kärnelektronerna.
– Det öppnar upp nya möjligheter för att förstå och kontrollera de molekyler, material och reaktioner som formar vår värld.
Som teoretisk kemist i teamet var Lists beräkningar en viktig del av det förslag som forskarna använde för att säkra stråltid vid LCLS-röntgenlasern och avgörande för att avslöja valenselektronernas rörelse från experimentella data. Redan från början spelade teorin en central roll i projekt. Den hjälpte till att forma den vetenskapliga frågan och vägledde valet att studera just ammoniak-molekyler.
List förklarar att i många samarbeten kommer teorin in först efter att ett experiment har genomförts, för att hjälpa till att tolka resultaten. Men i detta projekt var teorin en del av experimentet redan från början.
– Jag anser att denna typ av ömsesidighet är ett av de mest kraftfulla sätten att korsa både experimentella och teoretiska gränser och driva vetenskapliga upptäckter, säger Nanna Holmgaard List.
Text: Jon Lindhe ( jlindhe@kth.se )