מסגרת הקפאה אטומית ראשונה אי פעם של מים נוזליים

פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות


בניסוי הדומה לצילום סטופ מושן, מדענים בודדו את התנועה האנרגטית של אלקטרון תוך "הקפאת" התנועה של האטום הגדול בהרבה שהוא מקיף אותו בדגימה של מים נוזליים.

פרסומת

הממצאים, דווחו היום בכתב העת מַדָע, מספקים צוהר חדש למבנה האלקטרוני של מולקולות בשלב הנוזל בטווח זמן שלא ניתן היה להשיג בעבר באמצעות קרני רנטגן. הטכניקה החדשה חושפת את התגובה האלקטרונית המיידית כאשר מטרה נפגעת באמצעות צילום רנטגן, צעד חשוב בהבנת ההשפעות של חשיפה לקרינה על עצמים ואנשים.

"התגובות הכימיות הנגרמות על ידי קרינה שאנו רוצים לחקור הן תוצאה של התגובה האלקטרונית של המטרה המתרחשת בטווח הזמן של אטו-שנייה", אמרה לינדה יאנג, מחברת בכירה של המחקר והעמית הנכבד במעבדה הלאומית של ארגון. "עד עכשיו כימאים בקרינה יכלו לפתור אירועים רק בטווח הזמן של פיקושניות, פי מיליון לאט יותר מאשר אטושניה. זה בערך כמו להגיד 'נולדתי ואז מתתי'. אתה רוצה לדעת מה קורה בין לבין. זה מה שאנחנו יכולים לעשות עכשיו".

קבוצה רב-מוסדית של מדענים ממספר מעבדות ואוניברסיטאות לאומיות של משרד האנרגיה בארה"ב ובגרמניה שילבה ניסויים ותיאוריה כדי לחשוף בזמן אמת את ההשלכות כאשר קרינה מייננת ממקור רנטגן פוגעת בחומר.

עבודה על סולמות הזמן שבהם מתרחשת הפעולה תאפשר לצוות המחקר להבין כימיה מורכבת הנגרמת מקרינה לעומק. ואכן, חוקרים אלה התכנסו בתחילה כדי לפתח את הכלים הדרושים להבנת ההשפעה של חשיפה ממושכת לקרינה מייננת על הכימיקלים המצויים בפסולת גרעינית. המחקר נתמך על ידי המרכז לחקר גבולות האנרגיה האינטרפייסי בסביבות וחומרים רדיואקטיביים (IDREAM), בחסות משרד האנרגיה ומרכזו במעבדה הלאומית של צפון מערב פסיפיק (PNNL).

"חברים ברשת שלנו בתחילת הקריירה השתתפו בניסוי, ולאחר מכן הצטרפו לצוותים הניסויים והתיאורטיים המלאים שלנו כדי לנתח ולהבין את הנתונים", אמרה קרולין פירס, מנהלת IDREAM EFRC וכימאית PNNL. "לא יכולנו לעשות זאת ללא שותפויות IDREAM."

מפרס נובל לתחום

חלקיקים תת-אטומיים נעים כל כך מהר שלכידת פעולותיהם נדרשת בדיקה המסוגלת למדוד זמן באטושניות, מסגרת זמן כה קטנה שיש יותר אטושניות בשנייה ממה שהיו שניות בהיסטוריה של היקום.

החקירה הנוכחית מתבססת על המדע החדש של פיזיקה אטו-שנייה, שהוכר עם פרס נובל לפיזיקה לשנת 2023. פולסי רנטגן של Attosecond זמינים רק בקומץ מתקנים מיוחדים ברחבי העולם. צוות מחקר זה ערך את עבודת הניסוי שלהם ב-Linac Coherent Light Source (LCLS), הממוקם במעבדת האצה הלאומית של SLAC, ב-Menlo Park, קליפורניה, שם הצוות המקומי היה חלוץ בפיתוח של לייזרים attosecond-ray-רנטגן חופשי-אלקטרון.

"ניסויים שנפתרו בזמן אטו-שניה הם אחד מפיתוחי הדגל של מו"פ במקור האור הקוהרנטי של לינאק", אמר אגו מרינלי ממעבדת האצה הלאומית של SLAC, שיחד עם ג'יימס קריאן הוביל את הפיתוח של הזוג המסונכרן של אטושניות רנטגן. פולסי משאבה/בדיקה שהניסוי הזה השתמש בהם. "זה מרגש לראות את ההתפתחויות האלה מיושמות בסוגים חדשים של ניסויים ולוקחים את המדע ה-attosecond לכיוונים חדשים."

הטכניקה שפותחה במחקר זה, כל ספקטרוסקופיה של קליטה ארעית של קרני רנטגן בנוזלים, אפשרה להם "לצפות" באלקטרונים המופעלים מקרני רנטגן כשהם נעים למצב נרגש, כל זאת לפני שלגרעין האטום המסורבל יותר יש זמן לנוע. הם בחרו במים הנוזלים כמקרה המבחן שלהם לניסוי.

"יש לנו כעת כלי שבו, באופן עקרוני, אתה יכול לעקוב אחר תנועת האלקטרונים ולראות מולקולות מיוננות חדשות כפי שהן נוצרות בזמן אמת", אמר יאנג, שהוא גם פרופסור במחלקה לפיזיקה וג'יימס פרנק המכון באוניברסיטת שיקגו.

ממצאים אלה שדווחו לאחרונה פותרים ויכוח מדעי ארוך שנים בשאלה האם אותות רנטגן שנראו בניסויים קודמים הם תוצאה של צורות מבניות שונות, או "מוטיבים", של דינמיקה של אטומי מים או מימן. ניסויים אלה מוכיחים באופן סופי שאותות אלה אינם עדות לשני מוטיבים מבניים במים נוזליים בסביבה.

"בעיקרון, מה שאנשים ראו בניסויים קודמים היה הטשטוש שנגרם מתנועת אטומי מימן", אמר יאנג. "הצלחנו לחסל את התנועה הזו על ידי ביצוע כל ההקלטה שלנו לפני שהאטומים הספיקו לזוז."

מתגובות פשוטות ועד מורכבות

החוקרים רואים במחקר הנוכחי את תחילתו של כיוון חדש לגמרי עבור מדע ה-attosecond.

כדי לגלות את התגלית, כימאים ניסיוניים של PNNL שיתפו פעולה עם פיזיקאים בארגון ובאוניברסיטת שיקגו, מומחי ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן ופיזיקאים מאיצים ב-SLAC, כימאים תיאורטיים באוניברסיטת וושינגטון, ותיאורטיקנים מדעיים נוספים ממרכז המבורג להדמיה מהירה ו המרכז למדעי הלייזר האלקטרוני החופשי (CFEL), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), בהמבורג, גרמניה.

במהלך המגיפה העולמית, בשנת 2021 ולתוך 2022, צוות PNNL השתמש בטכניקות שפותחו ב-SLAC כדי לרסס יריעה דקה במיוחד של מים טהורים על פני נתיב הדופק של משאבת רנטגן.

"היינו זקוקים ליריעת מים נחמדה, שטוחה ודקיקה שבה נוכל למקד את צילומי הרנטגן", אמרה אמילי ניינהויס, כימאית בתחילת הקריירה ב-PNNL, שהחלה את הפרויקט כעמיתת מחקר פוסט-דוקטורט. "יכולת זו פותחה ב-LCLS." ב-PNNL, Nienhuis הוכיח שניתן להשתמש בטכניקה זו גם כדי ללמוד את הפתרונות המרוכזים הספציפיים שהם מרכזיים ב-IDREAM EFRC וייבדקו בשלב הבא של המחקר.

מניסוי לתיאוריה

לאחר שנאספו נתוני הרנטגן, הכימאי התיאורטי Xiaosong Li והסטודנטית לתואר שני Lixin Lu מאוניברסיטת וושינגטון יישמו את הידע שלהם בפירוש אותות הרנטגן כדי לשחזר את האותות שנצפו ב-SLAC. צוות CFEL, בראשותו של התיאורטיקן רובין סנטרה, עיצב את תגובת המים הנוזליים לקרני רנטגן אטושניות כדי לוודא שהאות הנצפה אכן מוגבל לטווח הזמן של האטו-שניות.

"באמצעות מחשב העל Hyak באוניברסיטת וושינגטון, פיתחנו טכניקת כימיה חישובית מתקדמת שאפשרה אפיון מפורט של מצבי הקוונטים החולפים באנרגיה גבוהה במים", אמר לי, הקתדרה לכימיה ב-Larry R. Dalton. אוניברסיטת וושינגטון ועמית מעבדה ב-PNNL. "פריצת דרך מתודולוגית זו הניבה התקדמות מרכזית בהבנה ברמה הקוונטית של טרנספורמציה כימית מהירה במיוחד, עם דיוק יוצא דופן ופרטים ברמה האטומית."

החוקר הראשי יאנג יזם את המחקר ופיקח על ביצועו, שהוביל במקום על ידי הסופר הראשון והפוסט-דוקטורט שואי לי. הפיזיקאי ז'יל דומי, גם הוא מארגון, והסטודנט לתואר שני קאי לי מאוניברסיטת שיקגו היו חלק מהצוות שערך את הניסויים וניתח את הנתונים. מרכז Argonne's for Nanoscale Materials, מתקן משתמש של DOE Office of Science, עזר לאפיין את יעד סילון סילון המים.

יחד, צוות המחקר קיבל הצצה לתנועה בזמן אמת של אלקטרונים במים נוזליים בזמן ששאר העולם עומד במקום.

"המתודולוגיה שפיתחנו מאפשרת לחקור את המקור והאבולוציה של מינים תגובתיים המיוצרים על ידי תהליכים המושרים על ידי קרינה, כמו נתקלים במסעות בחלל, טיפולי סרטן, כורים גרעיניים ופסולת מדור קודם", אמר יאנג.

למחקר יש שלושה מחברים ראשונים: S. Li, Lu ו- Swarnendu Bhattacharyya מ-DESY. שלושת המחברים המקבילים הם X. Li, Santra ויאנג. רשימת מחברים מלאה זמינה כאן.

עבודה זו נתמכה בעיקר על ידי IDREAM, מרכז מחקר גבול אנרגיה הממומן על ידי מחלקת האנרגיה, משרד המדע, תוכנית מדעי האנרגיה הבסיסיים. השימוש ב-LCLS, מעבדת המאיץ הלאומית של SLAC, ומשאבים מהמרכז לחומרים ננומטריים, המעבדה הלאומית של Argonne, נתמכים על ידי ה-DOE Office of Science, Basic Energy Sciences. תמיכה נוספת הגיעה מ-DESY ומ-Cluster of Excellence, "CUI: Advanced Imaging of Matter", מ- Deutsche Forschungsgemeinschaft.



קישור לכתבת המקור – 2024-02-15 21:21:33

Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
X-ray_Promo1

עוד מתחומי האתר