Рентгеновский лазер проследил за образованием химической связи
Международная группа исследователей считает, что она впервые провела непосредственное измерение свойств переходного состояния, в котором два отдельных атома образуют химическую связь. Использование линейного ускорителя – источника когерентного излучения [ Linac Coherent Light Source (LCLS)] – рентгеновского лазера на свободных электронах позволило наблюдать за тем, как молекулы моноксида углерода реагируют на рутениевом катализаторе с атомами кислорода, этот процесс протекает за исключительно короткие промежутки времени.
С помощью данных от рентгеновских лазеров исследователям
удалось реконструировать переходное состояние окисления моноксида углерода.
Рисунок из Science
Руководитель исследования, Андерс Нильссон (Anders Nilsson) из Стэнфорда заявляет, что возможность наблюдать за фундаментальными стадиями химической реакции, подобная проведенному исследованию, открывает новые границы химии, в особенности – химии каталитических процессов.
Конечно же, исследователи из группы Нильсона не отсняли серию фотоснимков, но им удалось получить критически важный для химиков набор данных спектроскопии рентгеновского поглощения [x-ray absorption spectroscopy (XAS)]. Эксперимент проводился следующим образом – на молекулы и атомы, адсорбированные на поверхности субстрата, помещенного в вакуумную камеру, воздействовали рентгеновским излучением.
Энергия пакетов рентгеновского излучения, рассеянного изучаемой системой, позволяла отслеживать, как меняется электронная структура каждой из адсорбированных частиц – атомов или молекул в ходе протекания реакции.
Исследователи изучали процесс окисления моноксида углерода на поверхности рутения – такое окисление хорошо известно, оно происходит в автомобильных каталитических конверторах. Известно, что оптические лазеры могут инициировать такое окисление, способствуя образованию диоксида углерода за пикосекунды.
Импульсы рентгеновского излучения, генерируемые источником LCLS, позволяют изучать процесс окисления, так как их продолжительность в десять раз короче и составляют 80 фемтосекунда. Изменяя задержки времени между «отправкой» оптических и рентгеновских импульсов, исследователям удалось получить набор данных, каждый элемент которых обладал информацией о «точечном состоянии» реагирующей системы, после чего эти точечные данные были объединены в единую динамическую модель подобно тому, как отдельные кадры объединяются в кинопленку.
Полученная реконструкция процесса показывает, что движение атомов кислорода начинается практически мгновенно, через 500 фемтосекунд после этого начинается и движение СО. Ориентировочно через 1 пикосекунду около 10% молекул CO сталкиваются с атомами кислорода, формируя переходное состояние, большая часть таких переходных состояний, однако, разрушаются до исходных компонентов.
Кристиан Бресслер (Christian Bressler), работающий с другим рентгеновским лазером на свободных электронах в Гамбурге (Германия) подчеркивает, что Стэнфордские коллеги демонстрируют отличную работу, демонстрирующую возможность слежения за реакционной системой с фемтосекундным разрешением. При этом он добавляет, что дополнительная сложность исследований заключалась в том, что реагирующие частицы были адсорбированы на твердой металлической подложке.
По материалам Science
Источник: chemport.ru
