Un grup de oameni de știință a reușit să înghețe procesele care au loc în atom într-o milionime de secundă.
În moleculă, legăturile chimice — forțele care țin atomii împreună — apar ca urmare a interacțiunii electronilor valenți (electronii din învelișul exterior) cu nucleele atomilor. Aceste interacțiuni au loc în intervale de timp extrem de scurte: femtosecunde, adică milioane de părți dintr-o miliardime de secundă. Pentru comparație, chiar și lumina are nevoie de câteva attosecunde (milionimi de milionimi de secunde) pentru a traversa doar câteva atomi. Acest timp poate fi numit „bătăile inimii lumii cuantice”.
Timp de zeci de ani, manualele de chimie au ilustrat schematic reacțiile din această lume miniaturală: moleculele se combină, legăturile se rup, se formează altele, iar produsele se descompun. Dar nu am văzut niciodată cum se desfășoară acest proces în timp real. Până acum.
Oamenii de știință de la Institutul Jiaotong din Shanghai au dezvoltat o metodă care permite obținerea de imagini ale electronilor și nucleelor care se mișcă împreună atunci când molecula își schimbă forma și legăturile sale se rup — un fenomen care înainte părea imposibil de observat direct. Rezultatele au fost publicate. Particularitatea acestei lucrări constă nu numai în claritatea „fotografiei”, ci și în faptul că vedem doi dintre cei mai importanți actori ai chimiei: electronii, care sub formă de „nor” determină modul în care atomii se atrag sau se resping reciproc, și nucleele, giganți în comparație cu electronii, care formează baza fiecărei molecule.
Pentru a atinge acest obiectiv, oamenii de știință conduși de Dao Xian au utilizat o metodă avansată, cunoscută sub numele de difracție electronică ultra-rapidă (UED). Mai întâi, un impuls laser cu lungimea de undă de 200 nm a excitat moleculele de amoniac (NH₃). Aplicarea energiei asupra moleculei o face mai sensibilă la schimbările proprietăților sale chimice. Această tranziție inițiază o mișcare structurală : molecula se „deschide” ca o umbrelă, iar una dintre legăturile sale începe să se rupă.
Apoi, prin aceste molecule excitate a fost trecut un impuls de electroni cu energie foarte mare (MeV). Electronii de la sondă se împrăștie atunci când interacționează cu câmpurile electrice create de nucleele și electronii moleculei. Observând împrăștierea lor, se poate „fixa” poziția particulelor în acel moment.
Noutatea acestei abordări constă în modul de analiză a acestor legi: folosind o metodă numită funcția de distribuție a perechilor de sarcini (CPDF), echipa lui Xian a reușit pentru prima dată să separe și să vizualizeze trei tipuri de dinamică simultană: între electroni, între nuclee și între electroni și nuclee. Cu alte cuvinte, ei pot vedea simultan cum se modifică densitatea electronilor și cum reacționează nucleele.
„Cercetările privind dinamica electronilor au o importanță enormă pentru dezvoltarea fizicii fundamentale, precum și a științelor aplicate privind materialele și chimia”, a explicat Syan într-un interviu . „Aceste experimente ne permit să urmărim mișcarea electronului valențial și a hidrogenului la ruperea legăturii, ceea ce anterior putea fi descris doar cu ajutorul calculelor sau modelelor teoretice”.
Această realizare ne permite să înțelegem chimia la viteza ei „reală”: multe reacții includ etape care durează femtosecunde sau mai puțin. Observarea acestor etape deschide calea către înțelegerea motivului pentru care se formează unele produse, iar altele nu. Pentru a vă da o idee despre impactul acestei realizări, putem spune că în universul nostru fizica este responsabilă de scrierea tuturor rețetelor, iar chimia furnizează ingredientele și aprinde focul. Acum, pentru prima dată, putem vedea ce se întâmplă în cuptor. În fiecare secundă.
Datorită acestui lucru, va fi posibilă dezvoltarea de catalizatori mai eficienți, crearea de materiale cu proprietăți controlate la nivel cuantic sau îmbunătățirea previziunilor privind căile de sinteză chimică; acest tip de vizualizare poate fi utilizat pentru îmbunătățirea proceselor din agricultură, energie și farmacologie.
