Tutkijaryhmä onnistui pysäyttämään atomissa tapahtuvat prosessit miljoonasosassa sekunnissa. Pysäyttämällä tämän tapahtuman voidaan määrittää, milloin ja miksi materiaali JavaScript lakkaa toimimasta .
Molekyylissä kemialliset sidokset – voimat, jotka pitävät atomit yhdessä – syntyvät valenssielektronien (ulomman kuoren elektronien) ja atomien ytimien välisen vuorovaikutuksen seurauksena. Nämä vuorovaikutukset tapahtuvat erittäin lyhyessä ajassa: femtosekunnissa, eli miljoonasosassa miljardisosasta sekunnista. Vertailun vuoksi, jopa valolta kestää useita attosekunteja (miljoonasosa miljoonasosasta sekunnista) kulkea vain muutaman atomin läpi. Tätä aikaa voidaan kutsua ”kvanttimaailman sydämenlyönniksi”.
Yonaguni: salaperäinen Atlantis meren alla
Kymmenien vuosien ajan kemian oppikirjoissa on kuvattu kaaviomaisesti reaktioita tässä pienessä maailmassa: molekyylit liittyvät toisiinsa, sidokset katkeavat, uusia muodostuu ja tuotteet hajoavat. Mutta emme ole koskaan nähneet, miten tämä prosessi todella tapahtuu reaaliajassa. Ainakaan tähän asti.
Shanghain Jiaotong-instituutin tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, jonka avulla voidaan saada kuvia elektronista ja ytimistä, jotka liikkuvat yhdessä molekyylin muodon muuttuessa ja sen sidosten katketessa – ilmiö, jota aiemmin pidettiin mahdottomana havaita suoraan. Tämän työn erityispiirre on paitsi sen tarkkuus, myös se, että näemme kaksi kemian tärkeintä toimijaa: elektronit, jotka ”pilven” muodossa määrittävät, miten atomit vetävät toisiaan puoleensa tai hylkivät toisiaan, ja ytimet, jotka ovat elektronien verrattuna jättiläisiä ja muodostavat jokaisen molekyylin perustan.
Tämän tavoitteen saavuttamiseksi Dao Xianin johtamat tutkijat käyttivät edistyksellistä menetelmää, joka tunnetaan nimellä ultranopea elektronidiffraktio (UED). Ensin 200 nm:n aallonpituudella toimiva laserpulssi viritti ammoniakkimolekyylit (NH₃). Energian lisääminen molekyyliin tekee siitä herkän muutoksille sen kemiallisissa ominaisuuksissa. Tämä muutos käynnistää rakenteellisen liikkeen : molekyyli ”aukeaa” kuin sateenvarjo, ja yksi sen sidoksista alkaa rikkoutua.
Sitten näiden viritettyjen molekyylien läpi johdettiin erittäin korkean energian (MeV) elektronipulssi. Sondin elektronit hajoavat vuorovaikutuksessa molekyylin ytimien ja elektronien luomien sähkökenttien kanssa. Hajoamista tarkkailemalla voidaan ”kiinnittää” hiukkasten sijainti kyseisellä hetkellä.
Tämän lähestymistavan uutuus piilee näiden sääntöjen analysointitavassa: käyttämällä menetelmää, jota kutsutaan varausparien jakautumisfunktioksi (CPDF), Xianin tiimi pystyi ensimmäistä kertaa erottamaan ja visualisoimaan kolme samanaikaista dynamiikan tyyppiä: elektronien välillä, ytimien välillä sekä elektronien ja ytimien välillä. Toisin sanoen, he voivat nähdä samanaikaisesti, miten elektronien tiheys muuttuu ja miten ytimet reagoivat.
”Elektronien dynamiikan tutkiminen on erittäin tärkeää perustavanlaatuisen fysiikan sekä materiaali- ja kemian soveltavien tieteiden kehitykselle”, Syan selitti haastattelussa . ”Näiden kokeiden avulla voimme seurata valenssielektronin ja vedyn liikettä sidoksen katketessa, mitä aiemmin voitiin kuvata vain laskelmien tai teoreettisten mallien avulla.”
Tämä saavutus antaa meille mahdollisuuden ymmärtää kemiaa sen ”todellisella” nopeudella: monet reaktiot sisältävät vaiheita, jotka kestävät femtosekunteja tai vähemmän. Näiden vaiheiden havainnointi avaa tien ymmärtää, miksi jotkut tuotteet muodostuvat ja toiset eivät. Jotta saisit käsityksen tämän saavutuksen merkityksestä, voidaan sanoa, että maailmankaikkeudessamme fysiikka vastaa kaikkien reseptien kirjoittamisesta, ja kemia toimittaa ainekset ja sytyttää tulen. Nyt voimme ensimmäistä kertaa nähdä, mitä uunissa tapahtuu. Joka sekunti.
Tämän ansiosta on mahdollista kehittää tehokkaampia katalyyttejä, luoda materiaaleja, joiden ominaisuuksia voidaan hallita kvanttitasolla, tai parantaa ennustettavuutta kemiallisessa synteesissä; tämän tyyppistä visualisointia voidaan käyttää prosessien parantamiseen maataloudessa, energiateollisuudessa ja farmakologiassa.
