Naukowcy z Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory[1] wykorzystali laser rentgenowski, aby uzyskać obraz stanu przejściowego, w którym dwa atomy zaczynają tworzyć słabe wiązanie prowadzące do powstania cząsteczki[2]. Odkrycie będzie miało ogromny wpływ na zrozumienie sposobu w jaki zachodzą reakcje chemiczne oraz na badania zmierzające do projektowania reakcji, które generują energię lub tworzą nowe produkty.
„To jest sedno całej chemii. To, co uważamy za Świętego Graala, ponieważ kontroluje reaktywność chemiczną” komentuje Anders Nilsson – profesor w SLAC/Stanford SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis at Stockholm University, który prowadził badania. „Ponieważ tak mało cząsteczek zajmuje ten stan przejściowy nikt nie pomyślał, że kiedykolwiek będzie go można uczynić takie obserwacje”.
Laserowe impulsy rentgenowskie były wystarczające krótkie, aby oświetlić atomy i cząsteczki oraz na tyle szybkie, aby oglądać reakcje chemiczne w sposób wcześniej niedostępny. Naukowcy wykorzystali laser LCLS (Linac Coherent Light Source) do studiowania reakcji, która neutralizuje tlenek węgla(II) (CO) ze spalin samochodowych w katalizatorze. Reakcja zachodzi na powierzchni katalizatora, która chwyta CO i tlen, a następnie utrzymuje je obok siebie w taki sposób, że łatwiej tworzą dwutlenek węgla. W doświadczeniach SLAC badacze przyłączyli CO i tlen do powierzchni katalizatora rutenu i zainicjowali reakcję impulsem z lasera. Impuls ogrzewa katalizator do 2000 K i wprawia w wibracje cząsteczki, co znacznie zwiększa szanse na zajście reakcji pomiędzy nimi. Rentgenowskie impulsy laserowe z LCLS, wykryły zmiany w układzie elektronów atomów – subtelne oznaki tworzenia wiązania, które miały miejsce w czasie femtosekund. „Pierwsze zostały aktywowane atomy tlenu, a nieco później tlenek węgla. Następnie zaczynają wibrować i po około trylionowej części sekundy zaczynają się zderzać i tworzą obserwowane stany przejściowe” tłumaczy Nilsson.
Naukowcy byli zaskoczeni widząc tak wiele cząsteczek w stanie przejściowym i równie zaskoczeni, że tylko niewielka część z nich tworzy stabilną cząsteczkę dwutlenku węgla, a reszta rozpadają się ponownie. Zespół kierowany przez prof. Henrika Öström (Stockholm University) zrobił wstępne badania, jak wywołać reakcje za pomocą lasera optycznego. Widma teoretyczne zostały obliczone pod kierownictwem prof. Larsa G.M. – wieloletniego współpracownika Nilssona. Zespół zabiera się za pomiary stanów przejściowych w innych reakcji katalitycznych, które generują substancji chemiczne ważne dla niektórych branż. Według dyrektora SUNCAT „jest to niezwykle ważne, ponieważ zapewni wgląd do zasad, które pozwolą nam projektować nowe katalizatory”.
1. https://www6.slac.stanford.edu
2. Science 2015: http://www.sciencemag.org/content/early/2015/02/11/science.1261747
3. http://www.sciencedaily.com/releases/2015/02/150212141449.htm
Opracował: Łukasz Kurach
Korekta: Ilona Sadok
