A kutatók megfigyelik az elektronokat a molekulában

Az új eredmények hatékonyabbá tehetik a napelemeket

Lézer PNNL
felolvasta

A kutatócsoport először tette az elektronok mozgását a kémiai reakció során teljesen láthatóvá. A kísérlet eredményei alapvető fontosságúak a fotokémia szempontjából, és hozzájárulhatnak a napelemek hatékonyabbá tételéhez is, írják a tudósok a „Science” folyóiratban.

1999-ben Ahmed Zewail Nobel-kémiai díjat kapott az ultrarövid lézerimpulzusokkal végzett kémiai reakciók vizsgálatáért. Zewail képes volt megfigyelni az atomok mozgását, és így molekuláris szinten átalakítani az átmeneti állapotokat. Az egyedi elektronok mozgásának akkori megfigyelése továbbra is a jövő álma volt. Az új lézertechnológia és az intenzív kutatásnak köszönhetően az attosekundumos spektroszkópia területén - amelynek 10 és 18 másodperc közötti mérési időtartamú - ez a kutatási terület gyorsan fejlődött.

Az elektronok mozgásának teljes nyomon követése

A kutatóknak, amelyet Hans Jakob Wörner professzor vezet, az ETH Zürich Fizikai Kémiai Laboratóriumából, valamint a kanadai és francia kollégákkal sikerült teljes mértékben megfigyelni az elektronok mozgását egy kémiai reakció során. Ebből a célból a tudósok egy nagyon rövid ultraibolya lézerimpulzussal besugározták a nitrogén-dioxidot (NO2).

A molekula abszorbeálja az ebben az impulzusban levő energiát, és mozgásba hozza az elektronokat. Az elektronok ezután másképp diszpergálódni kezdenek, rövid ideig az elektron felhővel két különböző formában - mondják a kutatók. A molekula ezután rezeg, és végül nitrogén-oxiddá és oxigénatomdá bomlik.

Kúpos átfedés

A nitrogén-dioxid modell jellegű az elektronmozgás szempontjából. A molekula kiegyensúlyozott, szögletes geometriájú. Az is világos, hogy az NO2 molekulában az elektronok két állapota azonos energiájú lehet - az egyik egy kúpos átfedésről szól. A kúpos átfedés központi szerepet játszik a fotokémiában, és a természetben gyakran fordul elő a fény által kiváltott kémiai folyamatokban - mondják a kutatók. kijelző

A kúpos átfedés úgy működik, mint egy kapcsoló. Például, ha a fény megüti a retinát, az elektronok oda mozognak, és a retina molekulái ("retina") "megfordulnak", végül a fény információját az agy elektromos információjává alakítva. A kúpos átfedés különlegessége, hogy az elektronmozgás nagyon hatékonyan halad át az atomok mozgásában.

Az elektron pillanatképe

Wörner egy korábbi tanulmányban már bemutatta, hogyan lehet az elektronok mozgását megfigyelni attosekundumos spektroszkópiával. Az első gyenge ultraibolya impulzus stimulálja az elektronok mozgását. A második erős infravörös lézerimpulzus eltávolítja az elektronot a molekulaból, felgyorsítja és visszavezette a molekulaba. Ebben a folyamatban egy attos másodperces impulzus kerül kibocsátásra, amely pillanatfelvételt tartalmaz a molekula elektron eloszlásáról.

Össze lehet hasonlítani azokkal a fényképekkel, ahol például egy golyó összetört egy almán. A golyó túl gyors a redőny számára, ezért teljesen nyitva hagyja a redőnyöt, és olyan gyors villanásokkal szabad kitéve, mint a labda. Így jön létre a pillanatkép, , a W rner szemlélteti az attosekundumos spektroszkópia elvét.

A kísérlettől a napelemig

Amikor az elektron visszatér a molekulához, fény formájában energiát bocsát ki. A kísérlet során W rner és munkatársai megmérték az elektronok fényét, és ezzel részletes információkat szereztek az elektron eloszlásról és annak időbeli fejlődéséről. Ez az információ olyan kémiai reakciómechanizmusok részleteit tárja fel, amelyeket korábban nem lehetett rögzíteni.

A kutatók szerint az NO2 kísérlet segít megérteni a molekulákban lezajló alapvető folyamatokat, és ideális kiegészítője a fotokémiai folyamatok számítógépes szimulációjának. A kísérlet annyira fontos, mert az elméleti modelleket teszteli. Az eredmények felhasználhatók többek között a fotokémiában is "- mondja W rner. A fotokémiai folyamatok iránti óriási érdeklődés nem meglepő, mivel ennek a kutatásnak többek között javítania kell a napelemeket, vagy egy nap lehetővé kell tennie a mesterséges fotoszintézist. (Science, 2011; doi: 10.1126 / science.1208664)

(Svájci Szövetségi Technológiai Intézet, Z rich (ETH Zürich), 2011.10.18. - DLO)