Промисловість

Спостереження за молекулярною динамікою хімічних реакцій у реальному часі

Спостереження за молекулярною динамікою хімічних реакцій у реальному часі

Постійний NIST (Національний інститут стандартів і технологій) проект завершується однією з найбільш актуальних цілей сучасної науки: здатність спостерігати детальну динаміку хімічних реакцій, як вони відбуваються - на просторовій шкалі молекул, атомів та електронів та на часовій шкалі пікосекунд або навіть коротше.

Дослідники розробили і продемонстрували надзвичайно незвичне, компактне і відносно недороге джерело рентгенівського випромінювання для системи візуалізації, яка незабаром може бути використана для створення такого роду "молекулярних фільмів", які потрібні вченим та інженерам. "Я вірю, що ми зможемо виміряти міжатомні відстані з точністю до субонгстрему", - говорить Джоель Уллом з групи Quantum Devices у відділі квантової електроніки та фотоніки PML, Головний дослідник спільного проекту та керівник групи, яка створила джерело рентгенівських променів. "І ми зможемо спостерігати за активністю атомного масштабу з пікосекундною роздільною здатністю під час хімічних реакцій".

"Джерело рентгенівських променів - це нова настільна система, яка створює пікосекундні імпульси рентгенівських променів, священний Грааль серед вчених, які намагаються з'ясувати точний рух електронів, атомів і молекул у реальному часі", Марла Доуелл, керівник групи джерел та детекторів ПМЛ. "Врешті-решт, цей настільний підхід зможе конкурувати один з одним із набагато дорожчими та складнішими синхротронними методами".

Принцип роботи починається з імпульсного інфрачервоного (ІЧ) лазерного променя, який розділений на дві частини. Перша частина використовується для фотозбудження досліджуваного матеріалу, починаючи хімічну реакцію. Друга частина направляється у вакуумну камеру, над якою знаходиться резервуар для води, який має крихітний отвір, що веде до камери. Вода всмоктується в камеру струменем шириною 0,2 мм, а лазерний промінь фокусується на цілі струменя води.

[caption id = "attachment_1198" align = "aligncenter" width = "300"] Закри цілі струменя води (вертикальна лінія, ширина ~ 0,2 мм), що використовується для отримання пікосекундних рентгенівських імпульсів. Єнс Уліг] [/ caption]

«Це запалює плазму на мішені, - каже Уллом, - і частина електронів від іонізації прискорюється - завдяки дуже великим електричним полям від лазера - назад у водну мішень. Там вони зазнають такого ж різкого уповільнення, як і електрони в звичайній рентгенівській трубці. ІЧ-промінь має дуже мало енергії на один фотон. Але те, що виходить із взаємодії з ціллю, це рентгенівські промені з енергіями У 10 000 разів вище. Потім ми колімуємо рентгенівський промінь так, щоб він потрапляв у зразок, що цікавить нас ". Потім рентгенівські промені проходять через зразок і потрапляють в окрему кріогенну камеру, де надпровідні рентгенівські детектори реєструють спектр поглинання.

У вересні команда показала, що джерело рентгенівських променів було стабільним протягом значних інтервалів часу. Наступний крок - почати займатись ним наукою. "Нас дуже цікавлять фотоактивні матеріали, компоненти сонячних елементів наступного покоління та каталізатори", - говорить Уллом. «Ми почнемо з модельних систем і підемо звідти.


Перегляньте відео: Інтегроване навчання вимога сучасності (Грудень 2021).