اولین قاب منجمد اتمی از آب مایع

این یافته ها امروز در مجله گزارش شده است علوم پایه، پنجره جدیدی را به ساختار الکترونیکی مولکول ها در فاز مایع در مقیاس زمانی ارائه می دهد که قبلاً با اشعه ایکس قابل دستیابی نبود. این تکنیک جدید واکنش الکترونیکی فوری را هنگامی که هدف با اشعه ایکس مورد اصابت قرار می‌گیرد، نشان می‌دهد که گام مهمی در درک تأثیرات قرار گرفتن در معرض تابش بر اشیاء و افراد است.

لیندا یانگ، نویسنده ارشد این مطالعه و محقق برجسته در آزمایشگاه ملی آرگون، گفت: «واکنش‌های شیمیایی ناشی از تشعشع که ما می‌خواهیم مطالعه کنیم، نتیجه پاسخ الکترونیکی هدف است که در مقیاس زمانی آتوثانیه رخ می‌دهد. «تا به حال، شیمیدانان تشعشعی فقط می‌توانستند رویدادها را در مقیاس زمانی پیکوثانیه، یک میلیون بار کندتر از یک آتوثانیه، حل کنند. مثل این است که بگویید “من به دنیا آمدم و سپس مردم.” دوست دارید بدانید در این بین چه اتفاقی می افتد. این کاری است که اکنون می توانیم انجام دهیم.”

یک گروه چند نهادی از دانشمندان از چندین آزمایشگاه و دانشگاه ملی DOE در ایالات متحده و آلمان آزمایش و تئوری را با هم ترکیب کردند تا در زمان واقعی پیامدهای ناشی از برخورد پرتوهای یونیزان از یک منبع پرتو ایکس به ماده را آشکار کنند.

کار بر روی مقیاس های زمانی که در آن عمل انجام می شود به تیم تحقیقاتی اجازه می دهد تا شیمی پیچیده ناشی از تشعشع را بهتر درک کند. در واقع، این محققان در ابتدا گرد هم آمدند تا ابزارهای مورد نیاز برای درک تأثیر قرار گرفتن طولانی مدت در معرض پرتوهای یونیزان بر مواد شیمیایی موجود در زباله های هسته ای را توسعه دهند. این تحقیق توسط مرکز تحقیقات مرزی انرژی (IDREAM) دینامیک اینترفاز در رسانه‌های رادیواکتیو و مواد (IDREAM) که توسط وزارت انرژی حمایت می‌شود و در آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام (PNNL) پشتیبانی می‌شود.

کارولین پیرس، مدیر IDREAM EFRC و شیمیدان PNNL گفت: «اعضای شبکه شغلی اولیه ما در آزمایش شرکت کردند و سپس به تیم‌های تجربی و نظری کامل ما پیوستند تا داده‌ها را تجزیه و تحلیل و درک کنند.» ما نمی توانستیم بدون مشارکت با IDREAM این کار را انجام دهیم.

از جایزه نوبل تا رشته

ذرات زیر اتمی آنقدر سریع حرکت می کنند که گرفتن اعمال آنها به کاوشگری نیاز دارد که بتواند زمان را بر حسب آتوثانیه اندازه گیری کند، چارچوب زمانی آنقدر کوچک که تعداد آتوثانیه ها در یک ثانیه بیشتر از ثانیه هایی است که در تاریخ جهان وجود داشته است.

تحقیقات کنونی بر اساس علم جدید فیزیک آتوثانیه است که توسط جایزه نوبل فیزیک 2023 به رسمیت شناخته شده است. پالس های اشعه ایکس آتوثانیه تنها در چند مرکز تخصصی در سراسر جهان در دسترس هستند. این تیم تحقیقاتی کار آزمایشی خود را در منبع نور منسجم Linac (LCLS)، واقع در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی SLAC، در منلو پارک، کالیفرنیا، انجام دادند، جایی که تیم محلی در توسعه لیزرهای الکترون آزاد پرتو ایکس آتوثانیه پیشگام بود.

آگو مارینلی از آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC که به همراه جیمز کریان توسعه جفت همزمان پالس های پمپ آتوثانیه اشعه ایکس را رهبری کردند، گفت: «آزمایشات با وضوح آتوثانیه یکی از پیشرفت های تحقیق و توسعه پیشرو در منبع نور منسجم Linac است. کاوشگر مورد استفاده در این آزمایش این هیجان انگیز است که ببینیم چگونه این پیشرفت ها در انواع جدید آزمایش ها اعمال می شود و علم را به مسیرهای جدید هدایت می کند.

تکنیک توسعه‌یافته در این تحقیق، تمام طیف‌سنجی جذب گذرای پرتو ایکس در مایعات، به آن‌ها اجازه می‌دهد تا الکترون‌هایی را که توسط پرتوهای ایکس انرژی می‌گیرند، در حالی که در یک حالت برانگیخته حرکت می‌کنند، «مشاهده» کنند، همه اینها قبل از اینکه هسته اتمی حجیم‌تر زمانی برای حرکت داشته باشد. آنها آب مایع را به عنوان آزمایشی برای آزمایش انتخاب کردند.

یانگ که همچنین استاد دپارتمان فیزیک و موسسه جیمز فرانک در موسسه جیمز فرانک است، می‌گوید: «ما اکنون ابزاری داریم که می‌توانید اساساً حرکت الکترون‌ها را دنبال کنید و مولکول‌های تازه یونیزه‌شده را همانطور که در زمان واقعی تشکیل می‌شوند ببینید. دانشگاه شیکاگو

این یافته‌های تازه کشف‌شده، یک بحث علمی طولانی‌مدت در مورد اینکه آیا سیگنال‌های اشعه ایکس مشاهده‌شده در آزمایش‌های قبلی، نتیجه اشکال ساختاری یا «نقوش» متفاوت دینامیک اتم آب یا هیدروژن هستند را حل می‌کند. این آزمایش‌ها به طور قطع نشان می‌دهند که این سیگنال‌ها شواهدی از دو نقوش ساختاری در آب مایع محیطی نیستند.

یانگ گفت: اساساً آنچه مردم در آزمایش‌های قبلی می‌دیدند تاری ناشی از حرکت اتم‌های هیدروژن بود. “ما توانستیم این حرکت را با انجام کل ضبط خود قبل از اینکه اتم ها زمان حرکت را داشته باشند، از بین ببریم.”

از واکنش های ساده تا پیچیده

محققان مطالعه حاضر را به عنوان شروع یک مسیر کاملا جدید برای علم آتوثانیه تصور می کنند.

برای انجام این کشف، شیمیدانان تجربی PNNL با فیزیکدانانی از آرگون و دانشگاه شیکاگو، طیف‌سنجی اشعه ایکس و فیزیکدانان شتاب‌دهنده در SLAC، شیمی‌دانان نظری از دانشگاه واشنگتن، و نظریه‌پردازان علم آتوثانیه از مرکز تصویربرداری فوق سریع هامبورگ و مرکز علوم لیزر الکترون آزاد (CFEL)، Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)، در هامبورگ، آلمان.

در طول همه‌گیری جهانی، در سال 2021 و در سال 2022، تیم PNNL از تکنیک‌های توسعه‌یافته در SLAC برای پاشیدن ورقه بسیار نازک آب خالص در مسیر پالس پمپ اشعه ایکس استفاده کرد.

Emily Nienhuis، شیمیدان اولیه در PNNL که این پروژه را به عنوان یک پژوهشگر فوق دکترا آغاز کرد، گفت: “ما به یک صفحه آب خوب، صاف و نازک نیاز داشتیم که بتوانیم اشعه ایکس را متمرکز کنیم.” “این قابلیت در LCLS توسعه یافته است.” در PNNL، Nienhuis نشان داد که این تکنیک همچنین می تواند برای مطالعه راه حل های متمرکز خاص که برای IDREAM EFRC مرکزی هستند مورد استفاده قرار گیرد و در مرحله بعدی تحقیق مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

از آزمایش تا نظریه

پس از جمع آوری داده های اشعه ایکس، شیمیدان نظری Xiaosong Li و دانشجوی فارغ التحصیل Lixin Lu از دانشگاه واشنگتن دانش خود را در مورد تفسیر سیگنال های اشعه ایکس برای بازتولید سیگنال های مشاهده شده در SLAC به کار بردند. تیم CFEL به رهبری نظریه‌پرداز رابین سانترا، پاسخ آب مایع به پرتوهای ایکس آتوثانیه‌ای را مدل‌سازی کرد تا آزمایش کند که آیا سیگنال مشاهده‌شده واقعاً محدود به مقیاس زمانی آتوثانیه است یا خیر.

لی، رئیس دانشکده شیمی لری آر. دالتون در این باره گفت: «با استفاده از ابررایانه هیاک در دانشگاه واشنگتن، ما یک تکنیک شیمی محاسباتی پیشرفته را توسعه دادیم که توصیف دقیق حالات کوانتومی گذرا با انرژی بالا در آب را امکان پذیر کرد. دانشگاه واشنگتن و یک دانشمند آزمایشگاهی PNNL. این پیشرفت روش شناختی منجر به پیشرفت اساسی در درک سطح کوانتومی تبدیل شیمیایی فوق سریع، با دقت و جزئیات فوق العاده در سطح اتمی شد.

محقق اصلی یانگ این مطالعه را آغاز کرد و اجرای آن را رهبری کرد که توسط نویسنده اول و فوق دکتر Shuai Li نظارت شد. فیزیکدان Gilles Dumy، همچنین از Argonne، و دانشجوی فارغ التحصیل Kai Li از دانشگاه شیکاگو، بخشی از تیمی بودند که آزمایش‌ها را انجام دادند و داده‌ها را تجزیه و تحلیل کردند. مرکز مواد نانومقیاس Argonne، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE، به شناسایی هدف جت آب کمک کرد.

تیم تحقیقاتی با هم توانستند در زمان واقعی حرکت الکترون ها در آب مایع را در حالی که بقیه جهان ساکن بودند، مشاهده کنند.

“یانگ گفت: روشی که ما ایجاد کردیم، امکان بررسی منشاء و تکامل گونه‌های واکنش‌پذیر تولید شده توسط فرآیندهای ناشی از تشعشع، مانند سفرهای فضایی، درمان سرطان، راکتورهای هسته‌ای و زباله‌های قدیمی را فراهم می‌کند.

این مطالعه دارای سه نویسنده مشترک است: S. Li، Lu و Swarnendo Bhattacharyya از DESY. سه نویسنده متناظر X. Li، Santra و Young هستند. لیست کامل نویسندگان در اینجا موجود است.

این کار در درجه اول توسط IDREAM، یک مرکز تحقیقات مرزی انرژی که توسط وزارت انرژی، دفتر علوم، برنامه علوم پایه انرژی پشتیبانی می شود، پشتیبانی می شود. استفاده از LCLS، آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC، و منابع مرکز مواد نانومقیاس، آزمایشگاه ملی آرگون، توسط دفتر علوم DOE، برنامه علوم پایه انرژی پشتیبانی می شود. پشتیبانی اضافی توسط DESY و Cluster of Excellence، “CUI: Advanced Imaging of Matter” از Deutsche Forschungsgemeinschaft ارائه شد.