Die waarneming van molekulêre dinamika van chemiese reaksies in reële tyd - Bedryf - 2022
'N Deurlopende NIST (Nasionale Instituut vir Standaarde en Tegnologie) projek eindig op een van die dringendste gesogte doelstellings in die moderne wetenskap: die vermoë om die gedetailleerde dinamika van chemiese reaksies waar te neem terwyl dit gebeur - op die ruimtelike skaal van molekules, atome en elektrone en op die tydskaal van pikosekondes of selfs korter.
Die navorsers het 'n baie ongewone, kompakte en relatief goedkoop x-straalbron ontwerp en getoon vir 'n beeldstelsel wat binnekort gebruik kan word om die soort "molekulêre films" te produseer wat wetenskaplikes en ingenieurs benodig. "Ek glo dat ons interatomiese afstande sal kan meet tot akkuraatheid onder die angstrom," sê Joel Ullom van die Quantum Devices Group in die afdeling Quantum Electronics and Photonics in PML, Hoofondersoeker vir die samewerkingsprojek en hoof van die span wat die röntgenbron geskep het. "En ons sal in staat wees om atoomskaalse aktiwiteit met pikosekonde-resolusie tydens chemiese reaksies dop te hou."
Die "x-straalbron is 'n nuwe tafelbladstelsel wat piekosekonde pulse van röntgenstrale skep, 'n heilige graal onder wetenskaplikes wat probeer om die presiese, intydse beweging van elektrone, atome en molekules te verhelder," sê Marla Dowell, leier van PML se Sources and Detectors Group. "Uiteindelik sal hierdie tafelbladbenadering kop-tot-kop kan meeding met baie duurder en uitgebreide sinchrotron-tegnieke."
Die werkingsbeginsel begin met 'n gepulseerde infrarooi (IR) laserstraal, wat in twee dele verdeel word. Die eerste deel word gebruik om 'n materiaal wat bestudeer word, met foto-opwinding te begin en 'n chemiese reaksie te begin. Die tweede deel word in 'n vakuumkamer gelei, waarbo 'n waterreservoir met 'n klein opening wat na die kamer lei. Water word in die kamer in 'n 0,2 mm wye straal getrek en die laserstraal word op die stromende waterstraal-teiken gefokus.
[caption id = "attachment_1198" align = "aligncenter" width = "300"] Close-up van die waterstraal-teiken (vertikale lyn, ~ 0,2 mm breed) wat gebruik word om pikosekonde x-straalpulse te produseer. [Beeldbron: Jens Uhlig] [/ onderskrif]
'Dit laat 'n plasma op die teiken ontsteek,' sê Ullom, 'en sommige van die elektrone van die ionisasie word versnel - as gevolg van die baie groot elektriese velde vanaf die laser - terug in die waterdoel. Daar ondergaan hulle dieselfde soort skielike vertraging as wat elektrone in 'n konvensionele x-straalbuis doen. Die IR-balk het baie min energie per foton. Maar wat uit die interaksie met die teiken kom, is x-strale met energie 10 000 keer hoër. Dan kollimineer ons die röntgenstraal sodat dit die monster van belang tref. " Die x-strale gaan dan deur die monster en in 'n aparte kriogenkamer waar supergeleidende x-straal-detektore die absorpsiespektrum opneem.
In September het die span getoon dat die x-straalbron stabiel is oor baie tydsintervalle. Die volgende stap is om daarmee wetenskap te begin doen. "Ons stel baie belang in foto-aktiewe materiale, komponente vir die volgende generasie sonselle en katalisators," sê Ullom. 'Ons sal met modelstelsels begin en daarvandaan gaan.