Удалось впервые увидеть химическую реакцию в режиме реального времени
Сверхкороткие и сверхинтенсивные импульсы рентгеновского излучения, вырабатываемые источником LCLS (Linac Coherent Light Source) позволили ученым осуществить съемку процессов и химических реакций, происходящих на поверхности катализатора в режиме реального времени. Такое достижение является важным шагом к пониманию тонкостей происходящих в природе химических процессов, что может открыть путь к созданию новых материалов, технологий, более эффективных и экологически чистых источников энергии и энергоносителей.
Ученые из Национальной лаборатории линейных ускорителей (SLAC National Accelerator Laboratory) американского Министерства энергетики (U.S. Department of Energy, DOE) использовали сверхкороткие импульсы рентгеновского излучения источника LCLS для проведения съемки процессов, происходящих на поверхности катализатора. Затем эти данные были пропущены через компьютер и обработаны алгоритмами сложной математической модели, что позволило выявить некоторые удивительные детали ранних стадий химической реакции о существовании которых ученые даже и не предполагали и существование которых стало для них полной неожиданностью. Подобные исследования позволят ученым разобраться во всех тонкостях работы катализаторов и откроют новую эру в области химических исследований.
Известно, что катализаторы могут ускорить химические реакции определенного типа, а некоторые химические реакции вообще идут только в присутствии катализатора. Подробные знания структуры и принципов действия катализаторов очень важны для некоторых отраслей промышленности, особенно при производстве многих химических соединений, где использование подходящих катализаторов позволит увеличить эффективность производства и избежать выбросов вредных отходов в окружающую среду.
"Изучение работы катализаторов в сверхскоростных масштабах времени с молекулярной точностью очень важно для организации производства новых видов синтетического топлива, стоимость производства которого может быть существенно уменьшена, для создания альтернативных источников энергии, которые не загрязняют окружающую среду" - рассказал Андерс Нильсон (Anders Nilsson), заместитель директора Стэнфордского университета и руководитель научного центра SLAC SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis.
Проводя свои эксперименты, ученые изучали химическую реакцию с участием угарного газа (CO), проходящую на поверхности кристалла рутения, достаточно известного и изученного катализатора. На поверхность кристалла был сфокусирован луч лазера, который позволял удерживать молекулы газа на некотором расстоянии от поверхности. После этого, используя сверхкороткие импульсы рентгеновского излучения, ученые исследовали это "пограничное" состояние каталитической реакции, в котором молекулы газа еще продолжали существовать как газ, но некоторые из них уже были пойманы в ловушку и начинали взаимодействовать с катализатором.
"Мы даже не ожидали увидеть такое необычное состояние химической реакции и взаимодействия газа с материалом катализатора" - рассказал Нильсон, - "Это стало для нас большим сюрпризом".
Помимо того, что данный эксперимент стал первым экспериментом, позволившим в режиме реального времени изучить начальные стадии каталитической химической реакции, он также показал ученым, что количество молекул газа и время их удержания в "ловушке" катализатора, намного превысили значения, которые ожидали получить ученые. Такие неожиданные результаты подняли ряд новых вопросов о взаимодействии химических веществ на уровне атомов, которые будут изучаться во время будущих исследований.
Да! Это здорово! Это как раз то зачем нужна фемтосекундная спектроскопия!
Проблема только в том, что импульсы получаются короткие но очень мощные. Мы пробовали сувать образца в Европейский лазер на свободных электронах (проект FERMI) - всё нахрен испаряется и точка. Если америкосам удалось найти такую реакцию, где ихние импульсы не мешают - респект им и уважуха!
БАК для элементарных частиц, а тут для возбуждённых состояний таких крупных объектов как молекулы. Совершенно другой диапазон энергий.
Вообще, суть этого подхода в том, чтобы возбудить электронную подвсистему, а ядерная не успела бы отреагировать на такое короткое воздействие. И тогда можно поизучать сепаратно свойства электронов, участвующих в химических связях. А традиционные методы типа фотоэлектронной спектроскопии слишком медленные - там возникают многочастичные возбуждения, когда, например, вы выбили электронв из атома, а окружающие атомы начали как-то перемещаться или сами или деформировать свои электронные оболочки в поле создавшейся дырки. А, поскольку вы видите суммарную картину, то будете наблюдать этот процесс на разных стадиях - от голой неэкранированной дырки до максимально релаксированной системы. Такая, доложу вам, каша получается! Куча всяких сателлитов, термов, резонансов и прочего мусора. В сложных реакциях нихрена не разобраться.
Дык адсорбция/десорбция без переноса заряда а с одной только его поляризацией и есть самое интересное!
Впрочем с переносом заряда, как оказалось, тоже всё очень интересненько получается. Мы тут освоили резонансную фотоэлектронную спектроскопию, дак оказалось, что у оного переносу есть куча промежуточных стадий. Причём он очень чётко разделяются и не перепутываются. Счас справа от меня сидит аспирант статью про это дело на аглицкий переводит...
Используется стробоскопический принцип регистрации - кратное увеличение периода. Я бы даже сказал - многократное. Главное - возбудить именнно нужный процесс.
И ещё в одном месте я видел такую фигню - типа, линейный координатный детектор - то есть одновременно фиксируются события на каком-то отрезке. А отрезок этот повёрнут ортогонально к точке, где происходит реакция вот так: (-----#) --- это детектор # это реакция. Поэтому сигнал от реакции достигает разных точек этого детектора за разное время. А скорость света хорошо известна. Поэтому каждый участок регистрирует событие, отличающееся по времени на меньше чем фемтосекунда.
Да, вопрос конечно интересный. Раньше разобраться в таких тонкостях и не снилось. Тут даже на простейших реакциях можно нарыть много интересного. Если копнуть еще органику, то тут море разливанное механизмов всяких реакций.
Самое простое, что приходит на ум -это подбор оптимального состава катализатора, ведь в этом случае можно исследовать длительность разных фаз взаимодействия и потом отнести это к активности катализатора.
Ловить эти эффекты экспериментально - "сизифов труд".
Это достаточно понятные, с точки зрения физики, процессы, столь нужные множествам химических производств. Однако они осложнены недостаточной квалификацией химиков для расчёта ими конфигурации электрических полей в микроокрестностях поверхностей, применяемых в качестве катализатора, и диссоциированных веществ в растворах ингредиентов.Сейчас по известным причинам, множество физиков-теоретиков оказалось не у дел. Отчего бы не набрать группу таких специалистов, которые в состоянии решать такого уровня задачи, да не платить им гроши, как сейчас принято.
Комментарии
Проблема только в том, что импульсы получаются короткие но очень мощные. Мы пробовали сувать образца в Европейский лазер на свободных электронах (проект FERMI) - всё нахрен испаряется и точка. Если америкосам удалось найти такую реакцию, где ихние импульсы не мешают - респект им и уважуха!
Каталитическая реакция в принципе сводится к процессу адсорбции - десорбции реагентов с поверхности катализатора.
Вообще, суть этого подхода в том, чтобы возбудить электронную подвсистему, а ядерная не успела бы отреагировать на такое короткое воздействие. И тогда можно поизучать сепаратно свойства электронов, участвующих в химических связях. А традиционные методы типа фотоэлектронной спектроскопии слишком медленные - там возникают многочастичные возбуждения, когда, например, вы выбили электронв из атома, а окружающие атомы начали как-то перемещаться или сами или деформировать свои электронные оболочки в поле создавшейся дырки. А, поскольку вы видите суммарную картину, то будете наблюдать этот процесс на разных стадиях - от голой неэкранированной дырки до максимально релаксированной системы. Такая, доложу вам, каша получается! Куча всяких сателлитов, термов, резонансов и прочего мусора. В сложных реакциях нихрена не разобраться.
Впрочем с переносом заряда, как оказалось, тоже всё очень интересненько получается. Мы тут освоили резонансную фотоэлектронную спектроскопию, дак оказалось, что у оного переносу есть куча промежуточных стадий. Причём он очень чётко разделяются и не перепутываются. Счас справа от меня сидит аспирант статью про это дело на аглицкий переводит...
Используется стробоскопический принцип регистрации - кратное увеличение периода. Я бы даже сказал - многократное. Главное - возбудить именнно нужный процесс.
Самое простое, что приходит на ум -это подбор оптимального состава катализатора, ведь в этом случае можно исследовать длительность разных фаз взаимодействия и потом отнести это к активности катализатора.
http://newsland.com/news/detail/id/1149640/
типа - поржать
Лиха беда -начало
Мы в диселенид титана интеркалируем переходные металлы.
Не Петрики мы!
С Грызловыми не водимся!
Диселенид титана - это круто
Это достаточно понятные, с точки зрения физики, процессы, столь нужные множествам химических производств. Однако они осложнены недостаточной квалификацией химиков для расчёта ими конфигурации электрических полей в микроокрестностях поверхностей, применяемых в качестве катализатора, и диссоциированных веществ в растворах ингредиентов.Сейчас по известным причинам, множество физиков-теоретиков оказалось не у дел. Отчего бы не набрать группу таких специалистов, которые в состоянии решать такого уровня задачи, да не платить им гроши, как сейчас принято.
Эффект будет колоссальный.