Πρώτη ματιά στη γέννηση ενός χημικού δεσμού. First glimpse of a chemical bond being born

Καλλιτεχνική απεικόνιση χημικής αντίδρασης. Τα αντιδρώντα είναι ένα μόριο μονοξειδίου του άνθρακα [ένα άτομο άνθρακα (μαύρο) και ένα άτομο οξυγόνου (κόκκινο)] και λίγο δεξιά του ένα άτομο οξυγόνου, αλληλεπιδρούν πάνω στην επιφάνεια του καταλύτη, σχηματίζοντας τελικά ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα. This illustration shows atoms forming a tentative bond, a moment captured for the first time in experiments with an X-ray laser at SLAC National Accelerator Laboratory. The reactants are a carbon monoxide molecule, left, made of a carbon atom (black) and an oxygen atom (red), and a single atom of oxygen, just to the right of it. They are attached to the surface of a ruthenium catalyst, which holds them close to each other so they can react more easily. When hit with an optical laser pulse, the reactants vibrate and bump into each other, and the carbon atom forms a transitional bond with the lone oxygen, center. The resulting carbon dioxide molecule detaches and floats away, upper right. The Linac Coherent Light Source (LCLS) X-ray laser probed the reaction as it proceeded and allowed the movie to be created. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory

Το φαινόμενο διαρκεί τόσο λίγο ώστε πολλοί επιστήμονες πίστευαν ότι δεν θα το έβλεπαν ποτέ: χρησιμοποιώντας ένα ισχυρό λέιζερ ακτίνων Χ, ερευνητές του αμερικανικού υπουργείου Ενέργειας παρατήρησαν για πρώτη φορά τη μεταβατική κατάσταση δύο ατόμων πριν ενωθούν και σχηματίσουν ένα μόριο.

Ενθουσιασμός

Οι ερευνητές που υπογράφουν τη μελέτη στην επιθεώρηση «Science» δηλώνουν ενθουσιασμένοι με τα αποτελέσματά τους: «Αυτός είναι ο πραγματικός πυρήνας όλης της Χημείας» σχολιάζει ο Άντερς Νίλσον, επικεφαλής της προσπάθειας στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC.

«Είναι αυτό που θεωρούμε Ιερό Δισκοπότηρο, αφού ελέγχει τη χημική αντιδραστικότητα. Κανείς δεν πίστευε ότι θα μπορούσαμε να το παρατηρήσουμε, δεδομένου ότι τα μόρια που βρίσκονται σε αυτή τη μεταβατική κατάσταση ανά πάσα στιγμή είναι ελάχιστα» επισήμανε. Η ομάδα του Νίλσον χρησιμοποίησε ένα λέιζερ ακτίνων-Χ, μια σχετικά νέα τεχνολογία που επιτρέπει την παρατήρηση εξαιρετικά γρήγορων φαινομένων, καθώς και τον προσδιορισμό της τρισδιάστατης δομής μορίων ή και ζωντανών κυττάρων.

To λέιζερ

The moment when two atoms come together and create a bond between them has been caught. Researchers at Stockholm University have led an international collaboration using an X-ray laser to make the observations. The findings are published in Science Express. Excessive vibration excited by the laser pulse. The movement slows down around the reaction transition state, which is observed by the X-ray laser before the carbon dioxide rapidly leaves the surface. The illustration is made by Henrik Öström.

Σαν ένα είδος στροβοσκοπικής λάμπας, το λέιζερ εκπέμπει εξαιρετικά σύντομους παλμούς φωτός, οι οποίοι είναι σαν να φωτίζουν μεμονωμένα «καρέ» μιας πολύ σύντομης διαδικασίας. Οι ερευνητές εξέτασαν τη χημική αντίδραση που εξουδετερώνει το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) στους καταλύτες των αυτοκινήτων: η επιφάνεια του καταλύτη συλλαμβάνει μόρια μονοξειδίου του άνθρακα και οξυγόνου και τα φέρνει σε μικρή απόσταση, έτσι ώστε να συνδεθούν και να σχηματίσουν μόρια διοξειδίου του άνθρακα (CO2).

Σε πρώτη φάση, οι ερευνητές συνέδεσαν CO και άτομα οξυγόνου στην επιφάνεια ενός καταλύτη από ρουθήνιο, και χρησιμοποίησαν ένα οπτικό λέιζερ για να θερμάνουν τον καταλύτη και να ξεκινήσουν την αντίδραση. Σε θερμοκρασία άνω των 1.500 βαθμών Κελσίου, τα άτομα CO και οξυγόνου άρχισαν να δονούνται, αυξάνοντας έτσι την πιθανότητα μεταξύ τους σύγκρουσης και σχηματισμού του νέου χημικού δεσμού.

Η παρατήρηση

Anders Nilsson, a professor at SLAC and at Stockholm University, explains how scientists used an X-ray laser to watch atoms form a tentative bond, and why that's important.

Η ερευνητική ομάδα παρατήρησε αυτή τη διαδικασία με το λέιζερ ακτίνων-Χ, το οποίο αποκάλυψε μεταβολές στη διάταξη των ηλεκτρονίων των ατόμων. Οι μεταβολές αυτές, τα πρώτα στάδια του σχηματισμού ενός χημικού δεσμού, συνέβησαν σε μερικά femtosecond, ή τετράκις εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου.

Αυτό είναι ένα εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα, δεδομένου ότι σε χρόνο ενός femtosecond το ίδιο το φως θα διένυε απόσταση 0,3 μικρομέτρων στο κενό, περίπου το πλάτος ενός ιού. «Πρώτα ενεργοποιούνται τα άτομα οξυγόνου και λίγο αργότερα ακολουθεί το μονοξείδιο του άνθρακα» περιγράφει ο Νίλσον. «Αρχίζουν να δονούνται και να κινούνται λίγο. Στη συνέχεια, έπειτα από ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, αρχίζουν να συγκρούονται και να σχηματίσουν αυτές τις μεταβατικές καταστάσεις». Οι ερευνητές δηλώνουν όμως έκπληκτοι από μια άλλη παρατήρηση: τα άτομα που φτάνουν σε αυτή τη μεταβατική κατάσταση είναι πολλά, ωστόσο μόνο ένα πολύ μικρό μέρος συνεχίζει την αντίδραση για να σχηματίσει διοξείδιο του άνθρακα. Τα υπόλοιπα άτομα επιστρέφουν τελικά στην αρχική τους κατάσταση.

«Αυτό που βλέπουμε ότι, ενώ υπάρχουν πολλές προσπάθειες, ελάχιστες αντιδράσεις συνεχίζονται μέχρι το τελικό προϊόν. Έχουμε πολύ δρόμο μπροστά μας μέχρι να κατανοήσουμε λεπτομερώς αυτό που βλέπουμε» λέει ο δρ Νίλσον.

Η ερευνητική ομάδα επισημαίνει ότι τα πειράματα έχουν σημασία για τη θεωρία της χημείας: «Είναι εξαιρετικά σημαντική μέθοδος για τους θεωρητικούς χημικούς» λέει ο Φρανκ Άμπιλντ-Πέντερσεν, συνεργάτης του Νίλσεν. «Ανοίγει έναν εντελώς νέο ερευνητικό πεδίο» προβλέπει.