Науковці досягли значного прогресу, вперше отримавши зображення окремого електрона під час хімічного процесу за допомогою надшвидких рентгенівських імпульсів. Це досягнення, опубліковане 20 серпня 2025 року у виданні Physical Review Letters, відкриває нові горизонти для розуміння фундаментальних механізмів хімічних реакцій.
Дослідники зосередилися на спостереженні за рухом валентного електрона в момент дисоціації молекули аміаку. Раніше рентгенівське розсіювання переважно використовувалося для фіксації атомів та їх взаємодій, оскільки воно здатне фіксувати швидкі зміни на мікроскопічному рівні. Однак цей підхід взаємодіяв переважно з внутрішніми електронами, залишаючи валентні електрони – ключових учасників хімічних перетворень – поза полем зору. Тепер дослідники подолали це обмеження, зробивши можливим пряме спостереження за цими зовнішніми частинками.
Ян Габальскі, аспірант у галузі фізики та головний автор роботи, зазначив, що глибоке вивчення поведінки валентних електронів дозволить оптимізувати розробку фармацевтичних засобів, впроваджувати більш стабільні хімічні технології та створювати передові матеріали. Для експерименту було обрано молекулу аміаку, оскільки її структура, що складається переважно з легких атомів, зменшує вплив внутрішніх електронів на результати, підвищуючи шанси на успішне спостереження цільового сигналу.
Робота проводилася в лабораторії SLAC (Стенфордський лінійний прискорювач) із використанням когерентного джерела світла Linac (LCLS), яке генерує потужні короткі рентгенівські спалахи. Спочатку молекула піддавалася ультрафіолетовому випромінюванню, яке перевело електрон у стан з вищою енергією та ініціювало процес дисоціації. Потім рентгенівські промені фіксували рухи в електронній хмарі, відображаючи динаміку реакції.
У рамках квантової механіки електрони інтерпретуються не як тверді частинки, а як хмари ймовірності зі змінною щільністю, що визначає їхнє положення. Дослідники використовували комп'ютерне моделювання для опису цих хмар, або орбіталей. Рентгенівські хвилі, проходячи крізь таку хмару, розсіювалися та інтерферували, що дозволило реконструювати зображення та відстежувати рухи електронів. Порівняння отриманих даних з теоретичними моделями підтвердило, що саме валентні електрони відіграють ключову роль у спостережуваних змінах.
У перспективі команда прагне адаптувати технологію для складніших умов, включаючи тривимірні середовища, що може призвести до практичних застосувань у регенеративній медицині. Наприклад, це може допомогти у відновленні тканин або створенні штучних структур за індивідуальними замовленнями, розширюючи можливості охорони здоров'я. Цей прорив у візуалізації окремих електронів є важливим кроком до глибшого розуміння хімічних процесів на фундаментальному рівні, що може мати далекосяжні наслідки для науки та технологій.