Секрет химических реакций раскрыт: рентгеновские вспышки помогли увидеть движение электрона

В мире науки недавно произошел значительный прорыв: специалисты применили сверхбыстрые рентгеновские импульсы для получения первого в истории изображения отдельного электрона во время химического процесса.

Это достижение было представлено 20 августа в авторитетном издании Physical Review Letters. Ученые сосредоточились на отслеживании перемещений валентного электрона в момент разрушения молекулы аммиака, что открывает новые горизонты в понимании фундаментальных механизмов.

Ранее рентгеновское рассеяние активно использовалось для фиксации атомов и их взаимодействий, благодаря способности захватывать быстрые изменения на микроскопическом уровне.

Однако этот подход в основном взаимодействовал с внутренними электронами, расположенными близко к ядру, оставляя валентные электроны — ключевых участников химических превращений — вне поля зрения. Теперь исследователи преодолели это ограничение, сделав возможным прямое наблюдение за этими внешними частицами.

Иэн Габальски, аспирант в области физики и основной автор работы, отметил, что глубокое изучение поведения валентных электронов позволит в будущем оптимизировать разработку фармацевтических средств, внедрить более устойчивые химические технологии и создать передовые материалы. Для эксперимента была выбрана молекула аммиака, поскольку ее структура, состоящая в основном из легких атомов, уменьшает влияние внутренних электронов на результаты, повышая шансы на успешное обнаружение целевого сигнала.

Работа проводилась в лаборатории SLAC с использованием когерентного источника света Linac, который генерирует мощные короткие рентгеновские вспышки. Сначала молекула подвергалась воздействию ультрафиолетового излучения, что переводило электрон в состояние с более высокой энергией и запускало процесс распада. Затем рентгеновские лучи фиксировали сдвиги в электронном облаке, отражая динамику реакции.

В рамках квантовой механики электроны интерпретируются не как твердые частицы, а как вероятностные облака с разной плотностью, определяющей их положение. Ученые применили компьютерное моделирование для детального описания этих облаков, или орбиталей.

Рентгеновские волны, проходя через такое облако, рассеивались и interferировали, что позволило реконструировать изображение и проследить за перемещениями электрона. Сравнение полученных данных с теоретическими моделями подтвердило, что именно валентные электроны играли ключевую роль в наблюдаемых изменениях.

В перспективе команда намерена адаптировать технологию для более сложных условий, включая трехмерные среды, что может привести к практическим применениям в регенеративной медицине.

Например, это поможет в восстановлении тканей или создании искусственных структур по индивидуальному заказу, расширяя возможности для инноваций в здравоохранении.

Уточнения

Электро́н - субатомная частица (обозначается символом e-
или β-
), чей электрический заряд отрицателен и равен по модулю одному элементарному электрическому заряду.