Trong một bước đột phá khoa học quan trọng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các xung tia X siêu nhanh để chụp ảnh một electron riêng lẻ trong quá trình hóa học, một thành tựu lần đầu tiên được ghi nhận.
Nghiên cứu này, được công bố vào ngày 20 tháng 8 năm 2025 trên tạp chí uy tín Physical Review Letters, mở ra những chân trời mới trong việc hiểu các cơ chế cơ bản của phản ứng hóa học. Trước đây, kỹ thuật tán xạ tia X thường được sử dụng để cố định các nguyên tử và tương tác của chúng, nhờ khả năng nắm bắt các thay đổi nhanh chóng ở cấp độ vi mô. Tuy nhiên, phương pháp này chủ yếu tương tác với các electron bên trong, bỏ qua các electron hóa trị - những nhân tố then chốt trong các biến đổi hóa học. Giờ đây, các nhà khoa học đã vượt qua giới hạn này, cho phép quan sát trực tiếp các hạt ngoài cùng này.
Ian Gabalski, tác giả chính của công trình và là nhà nghiên cứu vật lý, nhấn mạnh rằng việc nghiên cứu sâu về hành vi của electron hóa trị sẽ cho phép tối ưu hóa việc phát triển các tác nhân dược phẩm, giới thiệu các công nghệ hóa học ổn định hơn và tạo ra các vật liệu tiên tiến. Để thực hiện thí nghiệm, các nhà khoa học đã chọn phân tử amoniac vì cấu trúc của nó, chủ yếu bao gồm các nguyên tử nhẹ, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của các electron bên trong lên kết quả, tăng cơ hội quan sát thành công tín hiệu mục tiêu.
Công trình được thực hiện tại phòng thí nghiệm SLAC (Phòng thí nghiệm Quốc gia SLAC) thuộc Đại học Stanford, sử dụng nguồn sáng kết hợp Linac Coherent Light Source (LCLS), một cơ sở tia X laser điện tử tự do tia X cứng đầu tiên trên thế giới. Ban đầu, phân tử amoniac được chiếu xạ tia cực tím, làm cho một electron nhảy lên trạng thái năng lượng cao hơn và khởi tạo quá trình phân ly. Sau đó, tia X đã ghi lại các chuyển động trong đám mây electron, phản ánh động lực học của phản ứng.
Các xung tia X siêu nhanh, kéo dài chỉ vài femtosec (một phần triệu tỷ giây), đủ nhanh để đóng băng các chuyển động phân tử cực nhanh, cho phép ghi lại hình ảnh chi tiết của electron hóa trị. Trong khuôn khổ cơ học lượng tử, electron không được diễn giải như các hạt rắn mà là các đám mây xác suất có mật độ thay đổi, xác định vị trí của chúng. Các nhà khoa học đã sử dụng mô hình máy tính để mô tả các đám mây này, hay còn gọi là quỹ đạo. Sóng tia X, đi qua đám mây như vậy, bị tán xạ và giao thoa, cho phép tái tạo hình ảnh và theo dõi chuyển động của electron.
So sánh dữ liệu thu được với các mô hình lý thuyết đã xác nhận rằng chính các electron hóa trị đóng vai trò quan trọng trong những thay đổi quan sát được. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu điều chỉnh công nghệ này cho các điều kiện phức tạp hơn, bao gồm cả môi trường ba chiều, có thể dẫn đến các ứng dụng thực tế trong y học tái tạo. Ví dụ, điều này có thể hỗ trợ việc phục hồi mô hoặc tạo ra các cấu trúc nhân tạo theo yêu cầu cá nhân, mở rộng khả năng chăm sóc sức khỏe. Công nghệ này hứa hẹn cách mạng hóa lĩnh vực hóa học và khoa học vật liệu bằng cách cung cấp cái nhìn sâu sắc chưa từng có về các quá trình cơ bản ở cấp độ nguyên tử.