Wetenschappers hebben een baanbrekende prestatie geleverd door voor het eerst individuele elektronen in beeld te brengen tijdens een chemisch proces. Deze doorbraak, gepubliceerd op 20 augustus 2025 in Physical Review Letters, maakt een dieper begrip van chemische reacties mogelijk. Het onderzoeksteam gebruikte ultrasnelle röntgenpulsen om de beweging van een valentie-elektron te observeren op het moment dat een ammoniakmolecuul dissocieerde.
Traditioneel werd röntgenverstrooiing gebruikt om atomen en hun interacties vast te leggen, maar deze methode interageerde voornamelijk met binnenste elektronen. De recentste ontdekking maakt nu de directe observatie van valentie-elektronen, de sleutelspelers in chemische transformaties, mogelijk. Ian Gabalski, hoofdauteur van het onderzoek, benadrukt dat het bestuderen van valentie-elektronen cruciaal is voor de ontwikkeling van medicijnen, stabielere chemische technologieën en geavanceerde materialen.
Het experiment werd uitgevoerd in het SLAC-laboratorium met behulp van de Linac Coherent Light Source (LCLS), die krachtige, korte röntgenflitsen genereert. Het ammoniakmolecuul werd gekozen vanwege de lichte atomen, wat de invloed van binnenste elektronen minimaliseert. Het molecuul werd eerst blootgesteld aan ultraviolette straling om een elektron naar een hogere energietoestand te brengen, waarna de röntgenstralen de bewegingen in de elektronenwolk registreerden. Deze techniek stelt onderzoekers in staat de dynamiek van de reactie te volgen, wat essentieel is voor het ontwerpen van efficiëntere chemische processen.
Binnen de kwantummechanica worden elektronen beschouwd als waarschijnlijkheidsgolven. De onderzoekers gebruikten computer modellering om deze golven, of orbitalen, te beschrijven. Röntgenstralen die door deze golven gaan, verstrooien en interfereren, wat de reconstructie van beelden en het volgen van elektronbewegingen mogelijk maakt. Vergelijkingen met theoretische modellen bevestigen de cruciale rol van valentie-elektronen in de waargenomen veranderingen, wat leidt tot nauwkeurigere voorspellingen van chemische uitkomsten.
In de toekomst wil het team de technologie aanpassen voor complexere omgevingen, wat kan leiden tot praktische toepassingen in de regeneratieve geneeskunde, zoals het herstellen van weefsels. Deze visualisatiemogelijkheden bieden fundamentele inzichten die de basis kunnen leggen voor revolutionaire medische behandelingen.