อุตสาหกรรม

การสังเกตพลวัตของโมเลกุลของปฏิกิริยาเคมีแบบเรียลไทม์

การสังเกตพลวัตของโมเลกุลของปฏิกิริยาเคมีแบบเรียลไทม์

อย่างต่อเนื่อง NIST (สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ) โครงการกำลังปิดฉากหนึ่งในเป้าหมายที่ต้องการอย่างเร่งด่วนที่สุดในวิทยาศาสตร์สมัยใหม่: ความสามารถในการสังเกตรายละเอียดพลวัตของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น - ในระดับเชิงพื้นที่ของโมเลกุลอะตอมและอิเล็กตรอนและในช่วงเวลาของ picoseconds หรือสั้นกว่านั้น

นักวิจัยได้คิดค้นและแสดงให้เห็นถึงแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่ผิดปกติขนาดกะทัดรัดและราคาไม่แพงสำหรับระบบการถ่ายภาพที่อาจถูกนำมาใช้เพื่อผลิต "ภาพยนตร์ระดับโมเลกุล" ที่นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรต้องการในไม่ช้า “ ฉันเชื่อว่าเราจะสามารถวัดระยะทางระหว่างอะตอมเพื่อความเที่ยงตรงต่ำกว่าปกติได้” กล่าว Joel Ullom จาก Quantum Devices Group ในแผนก Quantum Electronics และ Photonics ของ PMLผู้ตรวจสอบหลักสำหรับโครงการความร่วมมือและหัวหน้าทีมที่สร้างแหล่งเอ็กซเรย์ “ และเราจะสามารถดูกิจกรรมระดับอะตอมด้วยความละเอียดของ picosecond ระหว่างปฏิกิริยาทางเคมี”

"แหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์เป็นระบบบนโต๊ะแบบใหม่ที่สร้างรังสีเอกซ์แบบพิโควินาทีซึ่งเป็นจอกศักดิ์สิทธิ์ในหมู่นักวิทยาศาสตร์ที่พยายามอธิบายการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอะตอมและโมเลกุลแบบเรียลไทม์อย่างแม่นยำ" กล่าว Marla Dowell, หัวหน้ากลุ่มแหล่งที่มาและตัวตรวจจับของ PML. “ ในที่สุดวิธีการบนโต๊ะนี้จะสามารถแข่งขันแบบตัวต่อตัวด้วยเทคนิคซิงโครตรอนที่มีราคาแพงและซับซ้อนกว่ามาก”

หลักการทำงานเริ่มต้นด้วยลำแสงเลเซอร์อินฟราเรด (IR) แบบพัลซิ่งซึ่งแบ่งออกเป็นสองส่วน ส่วนแรกใช้ในการถ่ายภาพวัตถุที่กำลังศึกษาอยู่โดยเริ่มปฏิกิริยาทางเคมี ส่วนที่สองถูกส่งเข้าไปในห้องสุญญากาศซึ่งด้านบนเป็นแหล่งกักเก็บน้ำที่มีรูรับแสงเล็ก ๆ ที่นำไปสู่ห้อง น้ำจะถูกดึงเข้ามาในห้องด้วยเจ็ตกว้าง 0.2 มม. และลำแสงเลเซอร์จะโฟกัสไปที่เป้าหมายเจ็ตน้ำแบบสตรีมมิ่ง

[caption id = "attachment_1198" align = "aligncenter" width = "300"] ภาพระยะใกล้ของเป้าหมายดำน้ำ (เส้นแนวตั้งกว้าง ~ 0.2 มม.) ที่ใช้ในการสร้างพัลส์เอ็กซ์เรย์พิโควินาที [ที่มาของภาพ: Jens Uhlig] [/ caption]

“ สิ่งนี้ทำให้พลาสม่าติดไฟบนเป้าหมาย” Ullom กล่าว“ และอิเล็กตรอนบางส่วนจากการแตกตัวเป็นไอออนจะถูกเร่ง - เนื่องจากสนามไฟฟ้าขนาดใหญ่มากจากเลเซอร์ - กลับเข้าไปในเป้าหมายน้ำ พวกมันได้รับการชะลอตัวลงอย่างกะทันหันแบบเดียวกับที่อิเล็กตรอนทำในหลอดเอ็กซเรย์ธรรมดา ลำแสง IR มีพลังงานต่อโฟตอนน้อยมาก แต่สิ่งที่ออกมาจากการมีปฏิสัมพันธ์กับเป้าหมายคือรังสีเอกซ์พร้อมพลังงาน สูงกว่า 10,000 เท่า จากนั้นเราก็ทำการรวมลำแสงเอ็กซเรย์เพื่อให้มันกระทบกับตัวอย่างที่สนใจ” จากนั้นรังสีเอกซ์จะผ่านตัวอย่างและเข้าไปในห้องแช่แข็งที่แยกจากกันซึ่งเครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์ของตัวนำยิ่งยวดจะบันทึกสเปกตรัมการดูดกลืน

ในเดือนกันยายนทีมงานได้แสดงให้เห็นว่าแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์มีความเสถียรในช่วงเวลาที่สำคัญ ขั้นตอนต่อไปคือการเริ่มทำวิทยาศาสตร์กับมัน “ เราสนใจในวัสดุที่มีการถ่ายภาพส่วนประกอบสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์และตัวเร่งปฏิกิริยารุ่นต่อไป” Ullom กล่าว “ เราจะเริ่มต้นด้วยระบบโมเดลและเริ่มจากตรงนั้น