Elektroner kan röra sig inom molekyler när de exciteras utifrån eller under en kemisk reaktion. För första gången, forskare har nu lyckats studera de första dussinet attosekunder av denna elektronrörelse i en vätska.

För att förstå hur kemiska reaktioner börjar, kemister har använt super-slow-motion-experiment i flera år för att studera de allra första ögonblicken av en reaktion. Dessa dagar, mätningar med en upplösning på några dussin attosekunder är möjliga. En attosekund är 1x10 ^-18 (en kvintiljondel) av en sekund, dvs. en miljondels miljondel av en miljondels sekund.

"Under dessa första dussin attosekunder av en reaktion, du kan redan observera hur elektroner skiftar inom molekyler, " förklarar Hans Jakob Wörner, professor vid laboratoriet för fysikalisk kemi vid ETH Zürich. "Senare, inom loppet av cirka 10, 000 attosekunder, eller 10 femtosekunder, kemiska reaktioner resulterar i rörelser av atomer upp till och inklusive brytning av kemiska bindningar."

Fem år sedan, ETH -professorn var en av de första forskarna som upptäckte elektronrörelser i molekyler på attosekundskalan. Dock, tills nu, sådana mätningar kunde endast utföras på molekyler i gasform eftersom de äger rum i en högvakuumkammare.

Försenad transport av elektroner från vätskan

Efter att ha byggt ny mätutrustning, Wörner och hans kollegor har nu lyckats upptäcka sådana rörelser i vätskor. För detta ändamål, forskarna använde fotoemission i vatten:De bestrålade vattenmolekyler med ljus, får dem att sända ut elektroner som de sedan kunde mäta. "Vi valde att använda denna process för vår undersökning eftersom det är möjligt att starta den med hög tidsmässig precision med hjälp av laserpulser, säger Wörner.

De nya mätningarna skedde också i högvakuum. Wörner och hans team injicerade en 25 mikrometer tunn vattenmikrojet i mätkammaren. Detta gjorde att de kunde upptäcka att elektroner avges från vattenmolekyler i flytande form 50 till 70 attosekunder senare än från vattenmolekyler i ångform. Tidsskillnaden beror på att molekylerna i flytande form är omgivna av andra vattenmolekyler, som har en mätbar fördröjningseffekt på enskilda molekyler.

Viktigt steg

"Elektronrörelser är nyckelhändelserna i kemiska reaktioner. Det är därför det är så viktigt att mäta dem på en högupplöst tidsskala, "Wörner säger." Steget från mätningar i gaser till mätningar i vätskor är av särskild vikt, eftersom de flesta kemiska reaktioner - särskilt de som är biokemiskt intressanta - äger rum i vätskor. "

Bland dessa, det finns många processer som, som fotoemission i vatten, utlöses också av ljusstrålning. Dessa inkluderar fotosyntes i växter, de biokemiska processerna på vår näthinna som gör att vi kan se, och skador på DNA orsakade av röntgenstrålar eller annan joniserande strålning. Med hjälp av attosekondmätningar, forskare bör få nya insikter om dessa processer under de kommande åren.