Ofta avbildad som färgglada ballonger eller moln, elektronorbitaler ger information om var elektroner befinner sig i molekyler, lite som suddiga ögonblicksbilder. För att förstå elektroners utbyte i kemiska reaktioner, Det är inte bara viktigt att känna till deras rumsliga fördelning utan också deras rörelse i tid. Forskare från Julich, Marburg, och Graz har nu gjort stora framsteg i denna riktning:De lyckades spela in orbitalbilder med en extremt hög tidsupplösning.

"I årtionden, kemi har styrts av två ambitionsmål, säger professor Stefan Tautz, chef för Quantum Nanoscience subinstitute vid Forschungszentrum Jülich. "En av dessa är att förstå kemiska reaktioner direkt från den rumsliga fördelningen av elektroner i molekyler, medan den andra spårar elektrondynamik över tiden under en kemisk reaktion. "Båda dessa mål har uppnåtts i separata banbrytande upptäckter inom kemi:gränsmolekylär orbitalteori förklarade elektronfördelningens roll i molekyler under kemiska reaktioner, medan femtosekundspektroskopi gjorde det möjligt att observera övergångstillstånd i reaktioner. "Det har länge varit en dröm om fysisk kemi att kombinera dessa två utvecklingar och sedan spåra elektroner i en kemisk reaktion i tid och rum."

Forskarna har nu kommit ett stort steg närmare att uppnå detta mål:de observerade elektronöverföringsprocesser vid ett metall -molekylgränssnitt i rum och tid. Sådana gränssnitt är fokus för forskning i German Research Foundation's Collaborative Research Center 1083 vid Philipps-Universität Marburg, och det var experiment som genomfördes här som ledde till dagens publikation. "Gränssnitt verkar initialt inte vara mer än två lager sida vid sida, medan de i själva verket är den plats där materialfunktioner uppstår. De spelar därför en avgörande roll i tekniska tillämpningar, "säger Ulrich Höfer, professor i experimentell fysik vid Philipps-Universität Marburg och talesman för forskningscentrum. I organiska solceller, till exempel, genom att kombinera olika material vid ett gränssnitt förbättras splittringen av de tillstånd som upphetsas av infallande ljus, så att el kan flöda. Gränssnitt spelar också en nyckelroll i OLED-displayer (organiska ljusemitterande dioder) som används i smartphones, till exempel.

Det experimentella tillvägagångssätt som forskarna använder bygger på ett genombrott som gjordes för några år sedan inom molekylär spektroskopi:fotoemission orbital tomografi, som i sig bygger på den välkända fotoelektriska effekten. "Här, ett lager av molekyler på en metallyta bombarderas med fotoner, eller ljuspartiklar, som upphetsar elektronerna och får dem att släppas, "säger professor Peter Puschnig från universitetet i Graz." Dessa frigjorda elektroner flyger inte bara runt i rymden, men - och detta är den avgörande punkten - baserat på deras vinkelfördelning och energifördelning, de ger en bra indikation på den rumsliga fördelningen av elektroner i molekylära orbitaler. "

"Det viktigaste resultatet av vårt arbete är att vi kan avbilda orbital tomogrammen med ultrahög upplösning över tid, "säger doktor Robert Wallauer, gruppledare och forskningsassistent vid Philipps-Universität Marburg. Att göra så, forskarna använde inte bara speciella lasrar med ultrakortpulser i femtosekundområdet för att excitera elektronerna i molekylerna; de använde också ett nytt impulsmikroskop som samtidigt mätte riktningen och energin för elektronerna som släpptes med mycket hög känslighet. En femtosekund är 10 ^-15 sekunder - en miljonedel av en miljarddel av en sekund. I förhållande till en sekund, detta är så lite som en sekund i förhållande till 32 miljoner år. Sådana korta pulser är som ett slags stroboskopljus och kan användas för att bryta ner snabba processer till enskilda bilder. Detta gjorde det möjligt för forskarna att spåra elektronöverföringen som i slowmotion. "Detta gjorde det möjligt för oss att rumsligt spåra elektronexcitationsvägarna nästan i realtid, "säger Tautz." I vårt experiment, en elektron exciterades först från sitt ursprungliga tillstånd till en obemannad molekylär orbital av en första laserpuls innan en andra laserpuls gjorde det möjligt att slutligen nå detektorn. Inte bara kunde vi observera denna process i detalj över tiden, men tomogrammen gjorde det också möjligt för oss att tydligt spåra var elektronerna kom ifrån. "

"Vi tror att våra fynd representerar ett avgörande genombrott mot målet att spåra elektroner genom kemiska reaktioner i rum och tid, "säger Ulrich Höfer." Förutom de grundläggande insikterna om kemiska reaktioner och elektronöverföringsprocesser, dessa fynd kommer också att ha mycket praktiska konsekvenser. De öppnar upp otaliga möjligheter för optimering av gränssnitt och nanostrukturer och de resulterande processorerna, sensorer, visar, organiska solceller, katalysatorer, och eventuellt även applikationer och teknik som vi inte ens har tänkt på än. "

Studien publiceras i Vetenskap .