W przełomowym osiągnięciu naukowym, zespół badaczy wykorzystał ultraszybkie impulsy rentgenowskie do uzyskania pierwszego w historii obrazu pojedynczego elektronu w trakcie procesu chemicznego. Wyniki tej pionierskiej pracy, opublikowane 20 sierpnia 2025 roku na łamach prestiżowego czasopisma Physical Review Letters, otwierają nowe horyzonty w pojmowaniu fundamentalnych mechanizmów reakcji.
Badacze skupili się na obserwacji ruchu elektronu walencyjnego w momencie dysocjacji cząsteczki amoniaku. Elektrony walencyjne, znajdujące się na najbardziej zewnętrznych powłokach atomów, są kluczowymi uczestnikami transformacji chemicznych, decydując o reaktywności pierwiastków i sposobie tworzenia wiązań. Dotychczasowe techniki, takie jak rozpraszanie rentgenowskie, głównie oddziaływały z elektronami wewnętrznymi, pozostawiając te kluczowe cząstki poza polem widzenia. Przełom ten umożliwia bezpośrednią obserwację tych kluczowych graczy w chemicznym tańcu.
Prace te miały miejsce w renomowanym laboratorium SLAC National Accelerator Laboratory w Kalifornii, placówce będącej światowym liderem w dziedzinie nauki o ultraszybkich zjawiskach i promieniowaniu rentgenowskim. SLAC, zarządzane przez Uniwersytet Stanforda i wspierane przez Departament Energii USA, dostarcza naukowcom z całego świata potężnych narzędzi do badania wszechświata w najmniejszych i najszybszych skalach.
Ian Gabalski, główny autor badania, podkreśla, że dogłębne zrozumienie zachowania elektronów walencyjnych pozwoli na optymalizację rozwoju środków farmaceutycznych, wprowadzenie bardziej stabilnych technologii chemicznych oraz tworzenie zaawansowanych materiałów. Wybór cząsteczki amoniaku, złożonej głównie z lekkich atomów, miał na celu zminimalizowanie wpływu elektronów wewnętrznych na wyniki eksperymentu, zwiększając szansę na skuteczną obserwację sygnału.
W eksperymencie wykorzystano spójne źródło światła Linac, generujące potężne, krótkie błyski rentgenowskie. Cząsteczka amoniaku została najpierw poddana działaniu promieniowania ultrafioletowego, inicjując proces dysocjacji. Następnie promienie rentgenowskie utrwaliły ruchy w chmurze elektronowej, odzwierciedlając dynamikę reakcji. Naukowcy, wykorzystując modelowanie komputerowe, byli w stanie zrekonstruować obraz i śledzić ruch elektronów, porównując uzyskane dane z modelami teoretycznymi, co potwierdziło kluczową rolę elektronów walencyjnych w obserwowanych zmianach.
Ta zdolność do wizualizacji procesów na poziomie pojedynczych elektronów otwiera drogę do precyzyjnego projektowania reakcji chemicznych, co jest fundamentalne dla innowacji w wielu dziedzinach. Zrozumienie dynamiki elektronów walencyjnych pozwala na lepsze kształtowanie właściwości materiałów i tworzenie bardziej efektywnych procesów. W przyszłości zespół planuje adaptację tej technologii do bardziej złożonych środowisk trójwymiarowych, co może otworzyć drzwi do praktycznych zastosowań w medycynie regeneracyjnej, wspomagając procesy odtwarzania tkanek lub tworzenia sztucznych struktur.