Industria

Observación de la dinámica molecular de las reacciones químicas en tiempo real

Observación de la dinámica molecular de las reacciones químicas en tiempo real

En marcha NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) El proyecto se acerca a uno de los objetivos más buscados en la ciencia moderna: la capacidad de observar la dinámica detallada de las reacciones químicas a medida que ocurren, en la escala espacial de moléculas, átomos y electrones, y en la escala de tiempo de picosegundos o incluso más cortos.

Los investigadores han ideado y demostrado una fuente de rayos X sumamente inusual, compacta y relativamente económica para un sistema de imágenes que pronto podrá emplearse para producir el tipo de "películas moleculares" que los científicos e ingenieros necesitan. "Creo que seremos capaces de medir distancias interatómicas con precisión sub-angstrom", dice Joel Ullom del grupo de dispositivos cuánticos en la división de electrónica cuántica y fotónica de PML, Investigador principal del proyecto colaborativo y jefe del equipo que creó la fuente de rayos X. "Y podremos observar la actividad a escala atómica con una resolución de picosegundos durante las reacciones químicas".

La "fuente de rayos X es un nuevo sistema de sobremesa que crea pulsos de rayos X de picosegundos, un santo grial entre los científicos que intentan dilucidar el movimiento preciso y en tiempo real de los electrones, átomos y moléculas", dice Marla Dowell, líder del Grupo de Detectores y Fuentes de PML. "Con el tiempo, este enfoque de sobremesa podrá competir cara a cara con técnicas de sincrotrón mucho más caras y elaboradas".

El principio de funcionamiento comienza con un rayo láser de infrarrojos (IR) pulsado, que se divide en dos partes. La primera parte se utiliza para fotoexcitar un material en estudio, iniciando una reacción química. La segunda parte se dirige a una cámara de vacío, encima de la cual hay un depósito de agua que tiene una pequeña abertura que conduce a la cámara. El agua se introduce en la cámara en un chorro de 0,2 mm de ancho y el rayo láser se enfoca en el objetivo del chorro de agua en flujo.

[id de título = "adjunto_1198" align = "aligncenter" width = "300"] Primer plano del objetivo de chorro de agua (línea vertical, ~ 0,2 mm de ancho) que se utiliza para producir pulsos de rayos X de picosegundos. [Fuente de la imagen: Jens Uhlig][/subtítulo]

“Esto enciende un plasma en el objetivo”, dice Ullom, “y algunos de los electrones de la ionización se aceleran, debido a los campos eléctricos muy grandes del láser, de regreso al objetivo de agua. Allí experimentan el mismo tipo de desaceleración abrupta que los electrones en un tubo de rayos X convencional. El haz de infrarrojos tiene muy poca energía por fotón. Pero lo que surge de la interacción con el objetivo son rayos X con energías. 10,000 veces mayor. Luego, colimamos el haz de rayos X para que golpee la muestra de interés ". Luego, los rayos X pasan a través de la muestra y entran en una cámara criogénica separada donde los detectores de rayos X superconductores registran el espectro de absorción.

En septiembre, el equipo demostró que la fuente de rayos X se mantuvo estable durante intervalos de tiempo sustanciales. El siguiente paso es comenzar a hacer ciencia con él. "Estamos muy interesados ​​en materiales fotoactivos, componentes para células solares y catalizadores de próxima generación", dice Ullom. “Comenzaremos con sistemas modelo y continuaremos desde allí.

Ver el vídeo: Física de las Oscilaciones - 2. El fenómeno de la oscilación (Octubre 2020).