Вченим вдалося вперше побачити хімічну реакцію в режимі реального часу
Надкороткі і сверхинтенсивные імпульси рентгенівського випромінювання, що виробляються джерелом LCLS (Linac Coherent Light Source) дозволили вченим здійснити зйомку процесів і хімічних реакцій, що відбуваються на поверхні каталізатора в режимі реального часу. Таке досягнення є важливим кроком до розуміння тонкощів відбуваються в природі хімічних процесів, що може відкрити шлях до створення нових матеріалів, технологій, більш ефективних і екологічно чистих джерел енергії та енергоносіїв.
Учені з Національної лабораторії лінійних прискорювачів (SLAC National Accelerator Laboratory) американського Міністерства енергетики (U.S. Department of Energy, DOE) використовували надкороткі імпульси рентгенівського випромінювання джерела LCLS для проведення зйомки процесів, що відбуваються на поверхні каталізатора. Потім ці дані були пропущені через комп'ютер і оброблені алгоритмами складної математичної моделі, що дозволило виявити деякі дивовижні деталі ранніх стадій хімічної реакції, про існування яких вчені навіть і не припускали й існування яких стало для них повною несподіванкою. Подібні дослідження дозволять вченим розібратися у всіх тонкощах роботи каталізаторів і відкриють нову еру в галузі хімічних досліджень.
Відомо, що каталізатори можуть прискорити хімічні реакції певного типу, а деякі хімічні реакції взагалі йдуть тільки в присутності каталізатора. Докладні знання структури і принципів дії каталізаторів дуже важливі для деяких галузей промисловості, особливо при виробництві багатьох хімічних сполук, де використання відповідних каталізаторів дозволить збільшити ефективність виробництва та уникнути викидів шкідливих відходів у навколишнє середовище.
"Вивчення роботи каталізаторів в надшвидкісних масштабах часу з молекулярної точністю дуже важливо для організації виробництва нових видів синтетичного палива, вартість виробництва якого може бути істотно зменшена, для створення альтернативних джерел енергії, які не забруднюють навколишнє середовище" - розповів Андерс Нільсон (Anders Nilsson), заступник директора Стенфордського університету і керівник наукового центру SLAC SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis.
Проводячи свої експерименти, вчені вивчали хімічну реакцію з участю чадного газу (CO), що проходить на поверхні кристала рутенія, досить знаного й вивченого каталізатора. На поверхню кристала був сфокусований промінь лазера, який дозволяв утримувати молекули газу на деякій відстані від поверхні. Після цього, використовуючи надкороткі імпульси рентгенівського випромінювання, вчені досліджували це "прикордонне" стан каталітичної реакції, в якому молекули газу ще продовжували існувати як газ, але деякі з них вже були спіймані в пастку і починали взаємодіяти з каталізатором.
"Ми навіть не очікували побачити таке незвичайне стан хімічної реакції та взаємодії газу з матеріалом каталізатора" - розповів Нільсон, - "Це стало для нас великим сюрпризом".
Крім того, що цей експеримент став першим експериментом, який дозволив в режимі реального часу вивчити початкові стадії каталітичної хімічної реакції, він також показав вченим, що кількість молекул газу і час їх утримання в "пастці" каталізатора, набагато перевищили значення, які очікували вчені. Такі несподівані результати підняли ряд нових питань взаємодії хімічних речовин на рівні атомів, які будуть вивчатися під час майбутніх досліджень.