محققان برای اولین بار رفتار الکترون را هنگام واکنش شیمیایی بررسی می کنند

محققان با استفاده از پالس لیزری و شبیه سازی محاسباتی پیشرفته، حرکت الکترون ها را در زمان واقعی و حقیقی خود مشاهده کردند.

به گزارش پورتال یو سی (شما می توانید)، اخیراً محققان دانشگاه پادربورن (University of Paderborn) و موسسه فریتزهابر برلین (Fritz Haber Institute Berlin) توانایی خود را در مشاهده حرکات الکترون ها طی واکنش شیمیایی نشان می دهند. محققان مدت ها فرآیندهای مقیاس اتمی که واکنش های شیمیایی را کنترل می کنند، مورد بررسی قرار دادند. در حالی که پیش از این هرگز قادر به مشاهده حرکت الکترون ها در لحظه نبودند.

الکترون ها در کوچکترین مقیاس ها وجود دارند، آنها در قطر کمتر از یک چهارم کوادریلیون یک متر بوده و در اطراف اتم با سرعت یک هزارم نانو ثانیه در حرکت هستند. محققان تجربی و علاقه مند به مشاهده رفتار الکترون ها از پالس های لیزری استفاده می کنند تا بر الکترون ها اثر متقابل و برهم کنشی داشته باشند. آنها می توانند انرژی و اندازه حرکت الکترون ها را با تجزیه و تحلیل خواص الکترون هایی که با نور لیزر از کاوش ها خارج می شوند، محاسبه کنند.

چالش بزرگ محققان

چالش برای محققان ضبط رویدادهایی است که در مقیاس یک هزارم نانو ثانیه اتفاق می افتد. از آنجا که یک هزارم نانو ثانیه بسیار کوتاه است، دستیابی به این سطح تجزیه، تحلیل و جداسازی دشوار است. نور می تواند 300 هزار کیلومتر در یک ثانیه طی کند، در حالی که در یک هزارم نانو ثانیه فقط 300 نانومتر طی می کند.

بعد از انجام اولین تحریک و برانگیختگی با پالس لیزر، الکترون های والانس (ظرفیت) اتم – الکترون های خارج از اتم که به تشکیل پیوندهای شیمیایی کمک می کنند – ممکن است مجدداً آرایش یابند تا پیوندهای شیمیایی جدیدی را ایجاد کنند و در نتیجه مولکول های جدیدی به وجود آیند. با این حال، به علت سرعت و مقیاس خاص این تعاملات، محققان تنها فرضیاتی در ارتباط با چگونگی انجام این دوباره سازی دارند.

علاوه بر روش های تجربی، محاسبات با کارآیی بالا (HPC) بطور فرآینده ای تبدیل به یک ابزار برای درک سطح تعاملات اتمی، تایید مشاهدات تجربی و مطالعه رفتار الکترون ها در طول یک واکنش شیمیایی با جزئیات بیشتر شده است. گروهی از دانشگاه Paderborn به رهبری پروفسور دکتر وولف گوئرو اشمیت (Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt) با گروهی از فیزیکدانان و شیمیدانان همکاری کردند تا بتوانند تحقیقات خود را از طریق مدل های محاسباتی تکمیل کنند.

تمرکز لیزری

در سال گذشته، گروه اشمیت با آزمایشگران دانشگاه Duisburg-Essen همکاری کردند تا یک ساختار مقیاس اتمی را برانگیخته کنند و انتقال های فاز برانگیخته شده را در زمان واقعی مشاهده کنند. انتقال فاز – زمانی که یک ماده از یک حالت فیزیکی به حالت دیگری تغییر می کند، مانند تغییر یافتن آب به یخ -، در مطالعات و طراحی مواد بسیار مهم است؛ زیرا خواص مواد ممکن است با توجه به وضعیت موجود در آن تغییر کنند. به عنوان مثال، تیم متوجه شد سیم های نانومقیاس ایندیمی با برانگیخته شدن با پالس لیزر از یک عایق به یک هادی الکتریکی تغییر می کنند.

در این سال، تیم قصد داشت آنچه را که در مورد سیم های ایندیم پیش از این آموخته بود و مطالعات واکنش های شیمیایی را بیشتر از یک سطح بنیادی مورد بررسی قرار دهد، هدف آنها پیگیری چگونگی رفتار الکترون های تشکیل دهنده پس از تحریک بوسیله یک پالس لیزر بود. بنابر اظهارات اشمیت «سال گذشته آنها یک مقاله علمی منتشر کردند که اندازه گیری جنبش اتمی را در این مقیاس نشان می داد.» به گفته وی؛ امسال ما می توانیم نشان دهیم که چگونه اتم ها طی واکنش شیمیایی حرکت می کنند. در این سال ما حتی در حالی که واکنش صورت می گرفت، قادر به نظارت بر الکترون ها بودیم.

به صورت تمثیلی، الکترون ها به عنوان چسب عمل کرده که اتم ها را بطور شیمیایی به یکدیگر متصل می کنند. با این حال، یک پالس لیزر می تواند یک الکترون را پاکسازی کند و آنچه را که محققان بر آن Photohole می نامند، ایجاد کند.

این Photoholeها فقط برای چند هزارم مونوثانیه طول می کشد اما ممکن است منجر به شکستن پیوندهای شیمیایی و ایجاد پیوندهای جدید شوند. هنگامی که نانوسیم Indium با یک پالس لیزر برانگیخته می شود، سیستم یک پیوند فلزی ایجاد می کند که تغییر فاز آن را به یک هادی الکتریکی توضیح می دهد.

همه کاربردهای شبیه سازی

شبیه سازی های محاسباتی پیشرفته به محققان اجازه می دهد تا الکترون ها را در مسیر حرکت قرار دهند و در نهایت به آنها کمک می کند تا مسیر واکنش کامل را مطالعه کنند. محققان اصول اولیه شبیه سازی ها را اجرا می کنند، به این معنی که آنها بدون هیچ پیش فرضی درباره اینکه چگونه یک ساختار اتمی کار می کند، فعالیت خود را آغاز کرده و سپس اتم های مدل کامپیوتری و الکترون های آنها را با شرایط آزمایشی قرار می دهند. انواع متمرکز اصول اولیه شبیه سازی ها، نیاز به منابع محاسباتی پیشرفته دارند.

مابین فعالیت پیشین (اولیه) و پروژه فعلی، تیم هم اکنون به درک بهتری از نقش مهمی که Photohole در شکل دادن چگونگی توزیع انرژی در طول ساختار بازی می کند، رسیده است و این مسئله در نهایت یک روش محاسباتی پیشرفته قابل اعتماد برای شبیه سازی انتقال بسیار سریع فاز را در اختیار محققان قرار می دهد.

شبیه سازی کنونی تیم شامل حدود 1000 اتم است. در حالی که کوچک است، به آنها اجازه می دهد نمونه ای از نحوه ساختار اتم ها و الکترون های تشکیل دهنده آن بدست آورند. گروه Photohole از کمیته HLRS برای بهینه سازی دستورها کمک گرفت و توانست تحقیقات خود را تا 10 هزار اتم گسترش دهد. اشمیت توضیح داد در حالی که تحقیقات کلی از افزایش اندازه سیستم به منظور 10 هزار اتم سود می برد، مرحله بعدی کار تیم این است که در سیستم های پیچیده تر کار کند.

او گفت: «تحقیقات کنونی محاسبات پیچیده ای است اما ساختار ساده ای دارد. گام بعدی ما این است که این تحقیق را توسعه دهیم و روی ساختارهایی با مقیاس های بزرگتر تولید انرژی فعالیت کنیم. این حقیقت انکارناپذیر است که با درک بهتر رفتارهای الکترون در سطح اتمی، محققان می توانند طراحی بهتری از مواد برای حمل، انتقال و ذخیره انرژی داشته باشند.»

منابع

خبر علمی «محققان برای اولین بار رفتار الکترون را هنگام واکنش شیمیایی بررسی می کنند» توسط هیئت تحریریه خبر پورتال یو سی (شما می توانید) با استناد به GCS و مجله دانستنیها، ترجمه، تدوین و نگارش شده است.