Promienie X odkrywają tajemnice wiązania chemicznego

To, co się dzieje podczas pękania wiązania chemicznego w trakcie reakcji, jest przedmiotem badań wielu naukowców. Za pomocą lasera na wolnych elektronach można w czasie rzeczywistym obserwować, jak zmienia się i na koniec pęka wiązanie chemiczne. Opis tych badań, które pozwalają lepiej rozumieć kluczowe procesy chemiczne, zamieszczono w czasopiśmie „Science".

Dzięki laserowi rentgenowskiemu na wolnych elektronach znajdującemu się w ośrodku naukowym SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) zidentyfikowano i opisano stany pośrednie towarzyszące reakcjom chemicznym na powierzchni metalu, kiedy ulega rozerwaniu i powstawaniu wiązania w cząsteczce tlenku węgla (I).

SLAC to jeden z największych na świecie akceleratorów, gdzie elektrony są rozpędzane w trzykilometrowym tunelu do szybkości bliskich szybkości światła. Akcelerator został przebudowany do generowania ultrakrótkich, trwających 100-1000 femtosekund impulsów promieniowania rentgenowskiego, które pozwalają na obserwację substancji chemicznych na poziomie pojedynczych atomów. Impuls są tak krótkie, że ukazują rozkład elektronowy wokół atomu. Można w ten sposób obserwować zmiany zachodzące podczas reakcji chemicznych.

Podczas planowania badań wiązań chemicznych z użyciem SLAC naukowcy musieli dostosować ogromną moc akceleratora tak, aby nie zniszczyć próbki i wykonać pomiary. W czasie eksperymentu cząsteczki CO były podawane na powierzchnię rutenu, który jest używany m.in. w katalizatorach samochodowych. Tlenek węgla (I) silnie przyłącza się do powierzchni tego metalu, ale może być oderwany po zwiększeniu temperatury, np. za pomocą promienia lasera. Naukowcom udało się zainicjować reakcję wszystkich podanych cząsteczek w tym samym czasie, dzięki czemu równocześnie doprowadzono je do stanu, w którym jeszcze nie oderwały się od powierzchni, a przyłączone były za pomocą słabego wiązania. W tym stanie cząsteczka może ulec oderwaniu lub z powrotem przyłączyć się mocniej do metalu, gdy powierzchnia zostanie ochłodzona.

Naukowcy od dłuższego czasu przewidywali istnienie tego pośredniego stanu, w którym występuje słabe wiązanie, ale tym razem po raz pierwszy udało się go zaobserwować.

(pj)