Исследователи добились прорыва, впервые запечатлев движение отдельного валентного электрона в момент диссоциации молекулы аммиака. Это достижение, опубликованное 20 августа 2025 года в журнале Physical Review Letters, стало возможным благодаря использованию сверхбыстрых рентгеновских импульсов и открывает новые возможности для понимания фундаментальных механизмов химических реакций.
Ранее методы рентгеновского рассеяния в основном использовались для фиксации атомов, поскольку они позволяли улавливать быстрые изменения на микроскопическом уровне. Однако эти подходы взаимодействовали преимущественно с внутренними электронами, оставляя валентные электроны — ключевых участников химических трансформаций — вне поля зрения. Теперь ученым удалось преодолеть это ограничение, сделав возможным прямое наблюдение за этими внешними частицами.
Иэн Габальски, ведущий автор исследования, отметил, что глубокое изучение поведения валентных электронов позволит оптимизировать разработку фармацевтических препаратов, внедрять более стабильные химические технологии и создавать передовые материалы. Для эксперимента была выбрана молекула аммиака, поскольку ее структура, состоящая в основном из легких атомов, минимизирует влияние внутренних электронов на результаты.
Работа проводилась в лаборатории SLAC с использованием когерентного источника света Linac, который генерирует мощные короткие рентгеновские вспышки. Молекула аммиака подвергалась ультрафиолетовому излучению, которое перевело электрон на более высокий энергетический уровень и инициировало процесс диссоциации. Затем рентгеновские лучи фиксировали движения в электронном облаке, отражая динамику реакции.
В рамках квантовой механики электроны интерпретируются как вероятностные облака. Исследователи использовали компьютерное моделирование для описания этих облаков. Рентгеновские волны, проходя через такое облако, рассеивались и интерферировали, что позволило реконструировать изображение и отслеживать движения электронов. Сравнение полученных данных с теоретическими моделями подтвердило, что именно валентные электроны играют ключевую роль в наблюдаемых изменениях.
В перспективе команда стремится адаптировать технологию для более сложных условий, включая трехмерные среды, что может привести к практическим применениям в регенеративной медицине, например, в восстановлении тканей. Понимание динамики валентных электронов имеет решающее значение для разработки новых лекарств и материалов, а также для создания более эффективных и экологичных химических процессов.