Một nhóm nghiên cứu do trường ETH Zurich đứng đầu lần đầu tiên đã hình dung ra sự chuyển động của các electron trong một phản ứng hóa học. Những kết quả mới trong thí nghiệm trên có tầm quan trọng cơ bản đối với lĩnh vực quang hóa học và có thể hỗ trợ việc thiết kế những tế bào mặt trời hiệu quả hơn.
Hồi năm 1999, Ahmed Zewail đã giành Giải Nobel Hóa học cho những nghiên cứu của ông về những phản ứng hóa học sử dụng những xung laser cực ngắn. Zewail đã có thể quan sát chuyển động của các nguyên tử và do đó hình dung ra những trạng thái chuyển tiếp ở cấp độ phân tử. Nhờ những phát triển mới về công nghệ laser và sự tập trung nghiên cứu trong lĩnh vực quang phổ học atto giây (1 atto giây = 10-18 s), nghiên cứu trên đã có sự phát triển nhanh chóng. Lần đầu tiên, giáo sư Hans Jakob Wörner ở Phòng thí nghiệm Hóa Lí tại trường ETH Zurich, cùng với các đồng sự nghiên cứu Canada và Pháp, đã có thể ghi lại chuyển động điện tử trong một phản ứng hóa học hoàn chỉnh. Thí nghiệm trên được mô tả trong số ra mới đây của tạp chí Science.
Đội nghiên cứu đã chiếu những xung tử ngoại ngắn lên trên các phân tử nitrogen dioxide (NO2). Sau đó, các phân tử nhận năng lượng từ xung sáng, đưa các electron vào chuyển động. Các electron bắt đầu tự sắp xếp lại, làm cho đám mây electron dao động giữa hai hình dạng khác nhau trong một thời gian rất ngắn, trước khi phân tử bắt đầu dao động và cuối cùng phân hủy thành nitric oxide và một nguyên tử oxygen.
Hình vẽ thể hiện chỗ giao hình nón và hai trạng thái điện tử có thể có của phân tử NO2 trước khi nó phân hủy. (Ảnh: Wörner /ETH Zürich)
Chỗ giao hình nón
Nitrogen dioxide có đặc điểm mô hình để tìm hiểu chuyển động điện tử. Trong phân tử NO2, hai trạng thái của các electron có thể có cùng năng lượng trong một dạng hình học nhất định – thường được mô tả là chỗ giao hình nón. Chỗ giao hình nón rất quan trọng đối với quang hóa học và thường xảy ra trong những quá trình hóa học tự nhiên do ánh sáng gây ra. Chỗ giao hình nón hoạt động giống như một công tắc đèn. Thí dụ, nếu võng mạc của mắt người được rọi sáng, thì các electron bắt đầu di chuyển, và các phân tử của võng mạc (màng lưới) thay đổi hình dạng của chúng, cuối cùng biến đổi thông tin ánh sáng thành thông tin điện truyền lên não. Nét đặc biệt ở những chỗ giao hình nón là chuyển động của các electron được chuyển thành chuyển động của các nguyên tử rất hiệu quả.
Ảnh chộp nhanh của một electron
Trong một bài báo trước, Hans Jakob Wörner đã công bố làm thế nào sử dụng quang phổ học atto giây để quan sát sự chuyển động của các electron. Xung tử ngoại yếu thứ nhất đưa các electron vào chuyển động. Xung hồng ngoại mạnh thứ hai lấy electron ra khỏi phân tử, gia tốc nó và lái nó trở lại phân tử. Hệ quả là một xung sáng atto giây được phát ra, mang một ảnh chộp nhanh của sự phân bố electron trong phân tử. Wörner minh họa nguyên tắc quang phổ học atto giây như sau: “Thí nghiệm trên có thể so sánh với việc chụp ảnh, thí dụ, chụp một viên đạn đâm xuyên qua một quả táo. Viên đạn sẽ là quá nhanh đối với cửa sập của camera, mang lại ảnh nhòe nét. Vì thế, người ta để mở cửa sập và ảnh được chiếu bằng ánh sáng đèn flash, xung sáng này nhanh hơn viên đạn. Đó là cách chúng ta thu về ảnh chộp nhanh của mình”.
Từ thí nghiệm trên đến những tế bào mặt trời
Khi electron trở lại phân tử, nó giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng. Trong thí nghiệm trên, Wörner và các đồng sự của ông đã đo ánh sáng của các electron đó và do đó có thể suy luận ra thông tin chi tiết về sự phân bố electron và sự diễn tiến theo thời gian của nó. Thông tin này tiết lộ các chi tiết của cơ chế phản ứng hóa học không thể truy xuất đối với đa số những kĩ thuật thực nghiệm trước đây. Thí nghiệm trên với NO2 giúp tìm hiểu những quá trình cơ bản trong phân tử và là một mở rộng lí tưởng của các mô phỏng máy tính của các quá trình quang hóa học: “Cái làm cho thí nghiệm của chúng tôi quan trọng là vì nó xác nhận các mô hình lí thuyết”, Wörner nói. Sự quan tâm nhiều vào những quá trình quang hóa không có gì bất ngờ, vì lĩnh vực nghiên cứu này nhắm tới mục tiêu cải tiến các tế bào mặt trời và thực thi sự quang hợp nhân tạo.
Nguồn: ETH Zurich
