化学反应过程中,电子到底做了啥? 化学


phys.org网站12月27日报道,《科学》杂志最新刊载的论文称,德国帕德伯恩大学和柏林弗里茨哈伯研究所的研究人员证实,他们具备了观察化学反应中电子运动的能力。

长期以来,虽然研究人员一直在研究如何控制化学反应的原子级过程,但从未观察到电子的运动情况。研究人员使用激光脉冲与电子相互作用,进而通过分析被激光“踢出”探测器的电子的性质来计算其能量和动量。研究人员面临的挑战是如何记录飞秒尺度上发生的事件——首先,他们需要使用激光脉冲激发系统,然后对接下来若干飞秒中发生的事件进行观察。随后,他们发送第二束激光脉冲,延迟时间也仅为几飞秒。要达到这样的分辨率是极其困难的。在首个激光脉冲激发后,原子的价电子可能会重新排列形成新的化学键,从而产生新的分子。然而,由于这种相互作用的速度太快,研究人员只能对价电子的重排情况进行推测。

除了实验方法之外,高性能计算(HPC)已经逐渐成为了解原子级相互作用、验证实验观察结果以及详细研究化学反应过程中电子行为的重要工具。由沃尔夫·杰罗·施密特教授(音译)领导的研究小组一直在与物理学家和化学家展开合作,尝试用计算模型来补充实验结果。他们利用斯图加特高性能计算中心(HLRS)的超级计算资源对化学反应中的电子行为进行了建模处理。施密特说:“弗里茨哈伯研究所的同仁来找我们寻求合作时,实际上我们已经完成了模拟。这次,理论领先了实验。”

去年,施密特团队与杜伊斯堡-埃森大学的研究人员合作,激发了原子尺度的系统,并实时观察了光诱导相变(PIPTs)。他们发现,当被激光脉冲激发时,铟纳米线由绝缘体转变为导电体。这个观测结果为电子运动的实验验证模拟打下了坚实基础。今年,研究小组尝试在铟纳米线研究的基础上,从更基本的层面研究化学反应——追踪电子在被激光脉冲激发后的行为。打个比方,电子就像胶水一样,将原子粘合在一起。激光脉冲可以“踢出”一个电子,形成“光穴”。光穴的持续时间只有几飞秒,但已经足以发生化学键断裂和形成新的化学键。当铟纳米线被激光脉冲击中时,系统会形成金属键,这就解释了它变成电导体的原因。

目前,该团队的模拟系统包含大约1000个原子,虽然这个系统仍然很小,但已经可以提供原子及其电子相互作用的代表性样本了。施密特解释说:“现阶段的研究虽然涉及复杂的计算,但却只是一个简单的系统。我们下一步的工作是开发与大规模能源生产相关的光催化剂等更为实际的应用。通过在原子水平上更好地理解电子的行为,研究人员可以设计更好的能量转换、传输和存储材料。”
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