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Observando a Dinâmica Molecular de Reações Químicas em Tempo Real

Observando a Dinâmica Molecular de Reações Químicas em Tempo Real

Em curso NIST (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia) O projeto está se aproximando de um dos objetivos mais buscados com urgência na ciência moderna: a capacidade de observar a dinâmica detalhada das reações químicas conforme elas acontecem - na escala espacial de moléculas, átomos e elétrons, e na escala de tempo de picossegundos ou ainda mais curto.

Os pesquisadores desenvolveram e demonstraram uma fonte de raios-x altamente incomum, compacta e relativamente barata para um sistema de imagem que pode em breve ser empregado para produzir o tipo de “filmes moleculares” de que cientistas e engenheiros precisam. “Acredito que seremos capazes de medir distâncias interatômicas com precisão subangstrom”, diz Joel Ullom do Grupo de Dispositivos Quantum na Divisão de Eletrônica Quântica e Fotônica da PML, Pesquisador Principal do projeto colaborativo e chefe da equipe que criou a fonte de raios-x. “E seremos capazes de observar a atividade em escala atômica com resolução de picossegundos durante as reações químicas.”

A "fonte de raios-x é um novo sistema de mesa que cria pulsos de picossegundos de raios-x, um Santo Graal entre os cientistas que estão tentando elucidar o movimento preciso e em tempo real de elétrons, átomos e moléculas", diz Marla Dowell, líder do Grupo de Fontes e Detectores da PML. “Eventualmente, esta abordagem de mesa será capaz de competir frente a frente com técnicas de síncrotron muito mais caras e elaboradas.”

O princípio de operação começa com um feixe de laser infravermelho (IR) pulsado, que é dividido em duas partes. A primeira parte é usada para fotoexcitar um material em estudo, iniciando uma reação química. A segunda parte é encaminhada para uma câmara de vácuo, acima da qual está um reservatório de água que tem uma pequena abertura que leva à câmara. A água é puxada para a câmara em um jato de 0,2 mm de largura e o feixe de laser é focado no alvo do jato de água.

[caption id = "attachment_1198" align = "aligncenter" width = "300"] Close do alvo de jato de água (linha vertical, ~ 0,2 mm de largura) usado para produzir pulsos de raios-X de picossegundos. [Fonte da imagem: Jens Uhlig][/rubrica]

“Isso acende um plasma no alvo”, diz Ullom, “e alguns dos elétrons da ionização são acelerados - devido aos campos elétricos muito grandes do laser - de volta ao alvo aquático. Lá, eles sofrem o mesmo tipo de desaceleração abrupta que os elétrons sofrem em um tubo de raios-X convencional. O feixe de infravermelho tem muito pouca energia por fóton. Mas o que sai da interação com o alvo são raios-x com energias 10.000 vezes maior. Em seguida, colimamos o feixe de raios-X para que atinja a amostra de interesse. ” Os raios-X então passam através da amostra e para uma câmara criogênica separada, onde detectores de raios-X supercondutores registram o espectro de absorção.

Em setembro, a equipe demonstrou que a fonte de raios-X era estável em intervalos de tempo substanciais. O próximo passo é começar a fazer ciência com ele. “Estamos muito interessados ​​em materiais fotoativos, componentes para células solares de próxima geração e catalisadores”, diz Ullom. “Vamos começar com sistemas de modelos e partir daí.


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