Een van de meest duurzame 'Heilige Graal'-experimenten in de wetenschap waren pogingen om atomaire bewegingen tijdens structurele veranderingen direct waar te nemen. Dit vooruitzicht vormt de basis voor het hele veld van de chemie, omdat er een chemisch proces plaatsvindt tijdens een overgangstoestand - het punt waarop geen terugkeer meer mogelijk is tussen de reactantconfiguratie en de productconfiguratie.

Hoe ziet die overgangstoestand eruit en, gezien het enorme aantal verschillende mogelijke nucleaire configuraties, hoe vindt een systeem zelfs een manier om het te laten gebeuren?

Nu in het journaal Technische Natuurkunde Brieven , onderzoekers van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter rapporteren "ultrabright" elektronenbronnen met voldoende helderheid om atomaire bewegingen letterlijk in realtime te verlichten - op een tijdschaal van 100 femtoseconden, waardoor deze bronnen bijzonder relevant zijn voor de chemie omdat atomaire bewegingen in dat tijdvenster plaatsvinden.

Na het zien van de eerste atomaire films van faseovergangen in bulk dunne films met behulp van hoogenergetische (100 kilovolt) elektronenbundels, de onderzoekers vroegen zich af of ze atomaire resolutie van oppervlaktereacties konden bereiken - die optreden in de eerste paar monolagen van materialen - om een ​​beter begrip te krijgen van oppervlaktekatalyse.

Dus bedachten ze een laagenergetisch (1-2 kilovolt) in de tijd opgelost elektronendiffractieconcept om glasvezel te gebruiken voor miniaturisatie en het vermogen om de elektronenpuls uit te rekken, pas vervolgens streak-cameratechnologie toe om mogelijk subpicoseconde temporele resolutie te verkrijgen - een moeilijke prestatie binnen het regime van lage elektronenenergie.

"De eerste atoomfilms gebruiken een stroboscopische benadering vergelijkbaar met een oude 8-millimetercamera, frame voor frame, waarbij een laserexcitatiepuls de structuur activeert, dan wordt een elektronenpuls gebruikt om de atomaire posities te verlichten, "Zei co-auteur Dwayne Miller. "We geloofden dat een streak-camera een hele film in één keer kon opnemen binnen het venster dat wordt bepaald door de opzettelijk uitgerekte elektronenpuls. Het lost het probleem van lage elektronenaantallen op en verbetert de beeldkwaliteit aanzienlijk."

Van de talloze mogelijke nucleaire configuraties, de groep ontdekte dat het systeem instort tot slechts een paar sleutelmodi die de chemie sturen en dat een vermindering in dimensionaliteit die optreedt in de overgangstoestand of het barrière-overstekende gebied kan worden afgeleid. "We zien het direct bij de eerste atoomfilms van het sluiten van ringen, elektronenoverdracht en het verbreken van bindingen, " zei Molenaar.