Science >> Wetenschap >  >> Chemie

Voor het eerst atoom-voor-atoom solvatatie geregistreerd

een Het uitgangspunt voor de metingen:een He-nanodruppeltje gedoteerd met een Xe-atoom in het binnenste en een Na-atoom aan het oppervlak. b , De He-druppel onmiddellijk na de femtoseconde-pomppuls en arriveert op tijdstip t  = 0, heeft een Na + aangemaakt ion door ionisatie van het Na-atoom, en zette daardoor het ionensolvatatieproces op gang. c , De He-atomen worden aangetrokken door de Na + ion, en geleidelijk binden. d De sondepuls ioniseert het Xe-atoom op tijdstip t . e , De afstotende elektrostatische kracht tussen Xe + en Na + leidt tot het uitwerpen van deze laatste uit de druppel, samen met het aantal He-atomen dat aan Na + is gebonden . Hier N  = 7 wordt als voorbeeld gebruikt. e , Er zijn twee alternatieve uitkomsten van het systeem:de Na + Hij7 complex heeft voldoende interne energie om gebonden te blijven (links) of de Na + Hij7 complex heeft zoveel interne energie dat het een He-atoom afstoot nadat het de druppel heeft verlaten (rechts). De resulterende Na + Hij7 of Na + Hij6 complex wordt naar een detector gestuurd en geeft informatie over de mate van solvatatie op tijdstip t . Credit:Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06593-5

Een team van scheikundigen en natuurkundigen aan de Universiteit van Aarhus in Denemarken heeft in samenwerking met een collega van de Universitat de Barcelona in Spanje voor het eerst de oplossing van atomen per atoom geregistreerd. In hun onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature ontwierp de groep een proces om natrium- en xenonatomen te manipuleren met een druppel helium bij zeer lage temperaturen om vast te leggen wat zij beschrijven als momentopnamen van het solvatatieproces in de loop van de tijd. Gecombineerd produceren deze een film die de actie weergeeft. In hetzelfde tijdschriftnummer is een onderzoeksbriefing over het werk gepubliceerd.



Solvatie is het oplossen van een opgeloste stof in een oplosmiddel, bijvoorbeeld wanneer zout oplost in water. De actie stopt niet alleen omdat de opgeloste stof is opgelost; in plaats daarvan blijven de oplosmiddelen interageren met het materiaal dat is opgelost.

Uit eerder onderzoek is gebleken dat dergelijke interacties behoorlijk ingewikkeld kunnen zijn. Daarom willen scheikundigen meer weten over wat er gebeurt. Eén manier om daar achter te komen is door de actie te filmen en af ​​te spelen als een film. Dit eenvoudige concept is echter uitzonderlijk moeilijk gebleken, zo moeilijk dat het team in Denemarken het tot voor kort niet kon verwezenlijken.

Om hun prestatie te bereiken, begonnen de onderzoekers met het vangen van een enkel xenonatoom in een druppel vloeibaar helium dat was afgekoeld tot -255°C en vervolgens het toevoegen van een enkel natriumatoom aan de buitenrand van de druppel. Ze vuurden een korte laserpuls af op het natriumatoom om het om te zetten in een positief geladen ion, waardoor solvatatie op gang kwam:de heliumatomen begonnen aan het natriumion te kleven.

TDDFT-simulatie van de Na + ionensolvatatieproces. Linkervideo:tijdsevolutie van de He-dichtheid in een symmetrievlak. De rode stip vertegenwoordigt de Na + ion. Rechter video:de ononderbroken zwarte lijn toont het sferisch gemiddelde druppeldichtheidsprofiel rond het ion (linker verticale as). De rode stippellijn toont het aantal He-atomen als functie van de afstand tot het ion (rechter verticale as). Credit:Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06593-5

Het team vuurde vervolgens nog een laserpuls af, dit keer op het xenonatoom, en veranderde het in een positief geladen ion. De twee ionen stootten elkaar zo sterk af dat het natriumion, met de eraan verbonden heliumatomen, uit de druppel werd geduwd en op een detector terechtkwam, waardoor een momentopname kon worden gemaakt van wat er gebeurde.

Vervolgens herhaalden de onderzoekers het proces, waarbij ze telkens langer wachtten voordat de tweede puls werd afgevuurd. Ze waren in staat om wat zij omschrijven als progressieve momentopnamen van de actie te creëren. Toen ze eenmaal meerdere opeenvolgende snapshots hadden, voegden ze deze samen om een ​​film te maken waarin het oplossingsproces in actie werd weergegeven.

Meer informatie: Simon H. Albrechtsen et al, Het observeren van de belangrijkste stappen van ionensolvatatie in heliumdruppeltjes, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06593-5

Heliumdruppeltjes helpen bij het visualiseren van het begin van de ionensolvatatie, De natuur (2023). DOI:10.1038/d41586-023-02950-6

Journaalinformatie: Natuur

© 2023 Science X Netwerk