Pour la première fois, les scientifiques ont utilisé ultrafast radiographie clignote pour prendre une image directe d’un seul électron lorsqu’elle se déplaçait lors d’une réaction chimique.
Dans le nouveau étudePublié le 20 août dans la revue Physical Review Letters, les chercheurs ont accompli cet exploit incroyable en imaginant comment un électron de valence – un électron dans la coquille extérieure d’un atome – s’est déplacé lorsqu’une molécule d’ammoniac s’est séparée.
Pendant des décennies, les scientifiques ont utilisé la diffusion des rayons X ultra-rapides pour l’image atomes et leurs réactions chimiques. La diffusion utilise des éclats de supershort de radiographies pour geler les minuscules molécules en mouvement rapide en action. Les rayons X ont la plage de longueurs d’onde parfaite pour capturer les détails à l’échelle atomique, c’est pourquoi ils sont idéaux pour les molécules d’imagerie.
Cependant, les rayons X n’interagissent fortement qu’avec des électrons centraux près du noyau de l’atome. Les électrons de valence – les électrons les plus externes dans un atome et ceux réellement responsables des réactions chimiques – ont été cachés.
« Nous voulions prendre des photos des électrons réels qui conduisent ce mouvement », » Ian Gabalskiun doctorant en physique et auteur principal de l’étude, a déclaré à Live Science.
Si les scientifiques peuvent comprendre comment les électrons de la valence se déplacent pendant les réactions chimiques, cela pourrait les aider à concevoir de meilleurs médicaments, des processus chimiques plus propres et des matériaux plus efficaces, a déclaré Gabalski.
Pour commencer, l’équipe avait besoin de trouver la bonne molécule. Il s’est avéré être de l’ammoniac.
« L’ammoniac est un peu spécial », a déclaré Gabalski. « Parce qu’il a principalement des atomes légers, il n’y a pas beaucoup d’électrons de base pour noyer le signal des externes. Nous avons donc eu une chance de voir cet électron de valence. »
L’expérience a été menée au SLAC National Accelerator Laboratory Linac Coherent Light Sourceune installation qui produit des impulsions à rayons X courtes intenses. Tout d’abord, l’équipe a donné à la molécule d’ammoniac une minuscule secousse de lumière ultraviolette, qui a fait de l’un des électrons « sauter » à un niveau d’énergie plus élevé. Les électrons dans les molécules restent généralement dans des états à faible énergie, et s’ils sont poussés à un plus haut, il déclenche une réaction chimique. Ensuite, avec le faisceau de rayons X, les chercheurs ont enregistré comment le « nuage » de l’électron s’est déplacé lorsque la molécule a commencé à se séparer.
Dans physique quantiqueles électrons ne sont pas considérés comme de minuscules balles en orbite autour du noyau. Au lieu de cela, ils existent sous forme de nuages de probabilité, « où une densité plus élevée signifie que vous êtes plus susceptible de voir l’électron », a expliqué Gabalski. Ces nuages sont également appelés orbitales, et chacun a une forme distincte en fonction de l’énergie et de la position de l’électron.
Pour cartographier ce nuage d’électrons, l’équipe a couru quantique mécanique Simulations pour calculer la structure électronique de la molécule. « Alors maintenant, ce programme que nous utilisons pour ces types de calculs se déroule et il détermine où les électrons remplissent ces orbitales autour de la molécule », a déclaré Gabalski.
Les radiographies elles-mêmes agissent comme des vagues, et lorsqu’ils traversent le nuage de probabilité de l’électron, ils se dispersent dans différentes directions. « Mais ensuite, ces radiographies peuvent aller et interférer les uns avec les autres », a déclaré Gabalski. En mesurant ce modèle d’interférence, l’équipe a reconstruit une image de l’orbitale de l’électron et a vu comment l’électron s’est déplacé pendant la réaction.
Ils ont comparé les résultats à deux modèles théoriques: un qui comprenait le mouvement d’électrons de valence, et celui qui ne l’a pas fait. Les données correspondaient au premier modèle, confirmant qu’ils avaient capturé le réarrangement de l’électron en action.
Les chercheurs espèrent adapter le système à utiliser dans des environnements 3D plus complexes qui imitent mieux les tissus réels. Cela le rapprocherait des applications en médecine régénérative, comme la croissance ou la réparation des tissus à la demande.
