Bilim insanları, ilk kez ultrahızlı X-ışını flaşlarını kullanarak bir kimyasal reaksiyon sırasında hareket eden tek bir elektronun doğrudan görüntüsünü alabildiklerini duyurdu.
20 Ağustos'ta Physical Review Letters dergisinde yayımlanan çalışmada, araştırmacılar bu inanılmaz başarıyı, bir amonyak molekülü parçalanırken bir valans elektronunun (bir atomun dış kabuğundaki elektron) hareketini görüntüleyerek gerçekleştirdi.
Onlarca yıldır bilim insanları atomları ve kimyasal reaksiyonlarını görüntülemek için ultrahızlı X-ışını saçılımını kullanıyorlardı. Bu yöntem, süper kısa X-ışını patlamaları kullanarak hareketli molekülleri aksiyon halinde donduruyor. X-ışınları, atomik ölçekteki detayları yakalamak için ideal dalga boyu aralığına sahip, bu da onları molekül görüntüleme için elverişli kılıyor.
Ancak X-ışınları sadece atom çekirdeğine yakın olan çekirdek elektronlarıyla güçlü bir şekilde etkileşime giriyor. Valans elektronları ise atomların en dışındaki ve kimyasal reaksiyonlardan sorumlu olan elektronları olduğu için bu güne kadar gizli kalıyordu.
Çalışmanın baş yazarlarından fizik doktora öğrencisi Ian Gabalski, "Gerçekten bu hareketi yönlendiren elektronların fotoğraflarını çekmek istedik" dedi.
Gabalski'ye göre, bilim insanları kimyasal reaksiyonlar sırasında valans elektronlarının nasıl hareket ettiğini anlayabilirlerse, daha iyi ilaçlar, daha temiz kimyasal süreçler ve daha verimli malzemeler tasarlamaya yardımcı olabilir.
Başlamak için ekibin doğru molekülü bulması gerekiyordu. Bu molekülün amonyak olduğu ortaya çıktı.
Gabalski, "Amonyak biraz özel" diyerek, "Çoğunlukla hafif atomlara sahip olduğu için, dış elektronlardan gelen sinyali boğacak çok fazla çekirdek elektronu yok. Bu yüzden o valans elektronunu görme şansımız vardı" diye ekledi.
Deney, yoğun ve kısa X-ışını darbeleri üreten bir tesis olan SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'ndaki Linac Coherent Light Source'da gerçekleştirildi. İlk olarak ekip, amonyak molekülüne küçük bir ultraviyole ışık darbesi verdi, bu da elektronlardan birinin daha yüksek bir enerji seviyesine "atlamasına" neden oldu. Moleküllerdeki elektronlar genellikle düşük enerji durumlarında kalır ve daha yüksek bir duruma itilirlerse, bu durum bir kimyasal reaksiyonu tetikler. Ardından, X-ışını ışınıyla araştırmacılar, molekül parçalanmaya başladıkça elektronun "bulutunun" nasıl yeniden düzenlendiğini kaydetti.
Kuantum fiziğinde elektronlar, çekirdeğin etrafında dönen küçük toplar olarak görülmez. Bunun yerine, Gabalski'nin açıkladığı gibi, "daha yüksek yoğunluğun elektronu görme olasılığının daha yüksek olduğu" olasılık bulutları olarak var olurlar. Bu bulutlar aynı zamanda orbitaller olarak da bilinir ve her birinin elektronun enerjisine ve konumuna bağlı olarak belirgin bir şekli vardır.
Bu elektron bulutunu haritalamak için ekip, molekülün elektronik yapısını hesaplamak üzere kuantum mekaniksel simülasyonlar gerçekleştirdi. Gabalski, "Yani şimdi bu tür hesaplamalar için kullandığımız program gidiyor ve molekülün etrafındaki orbitallere elektronların nasıl dolduğunu buluyor" dedi.
X-ışınları dalgalar gibi davranır ve elektronun olasılık bulutundan geçtiğinde farklı yönlerde saçılırlar. Gabalski, "Ancak o zaman bu X-ışınları birbirleriyle etkileşime girebilir" dedi. Bu girişim desenini ölçerek, ekip elektronun orbitalinin bir görüntüsünü yeniden oluşturdu ve reaksiyon sırasında elektronun nasıl hareket ettiğini gördü.
Sonuçları iki teorik modelle karşılaştırdılar: biri valans elektron hareketini içeren, diğeri içermeyen bir model. Veriler ilk modelle uyumluydu, bu da elektronun yeniden düzenlenmesini gerçek zamanlı olarak yakaladıklarını doğruladı.
Araştırmacılar, sistemi gerçek dokuları daha iyi taklit eden daha karmaşık, 3 boyutlu ortamlar için kullanmayı umuyorlar. Bu, onları istenildiğinde doku büyütme veya onarma gibi rejeneratif tıp uygulamalarına yaklaştıracaktır.
