Сверхкороткие и сверхинтенсивные импульсы рентгеновского излучения, вырабатываемые источником LCLS (Linac Coherent Light Source) позволили ученым осуществить съемку процессов и химических реакций, происходящих на поверхности катализатора в режиме реального времени. Такое достижение является важным шагом к пониманию тонкостей происходящих в природе химических процессов, что может открыть путь к созданию новых материалов, технологий, более эффективных и экологически чистых источников энергии и энергоносителей.
Ученые из Национальной лаборатории линейных ускорителей (SLAC National Accelerator Laboratory) американского Министерства энергетики (U.S. Department of Energy, DOE) использовали сверхкороткие импульсы рентгеновского излучения источника LCLS для проведения съемки процессов, происходящих на поверхности катализатора. Затем эти данные были пропущены через компьютер и обработаны алгоритмами сложной математической модели, что позволило выявить некоторые удивительные детали ранних стадий химической реакции о существовании которых ученые даже и не предполагали и существование которых стало для них полной неожиданностью. Подобные исследования позволят ученым разобраться во всех тонкостях работы катализаторов и откроют новую эру в области химических исследований.
Известно, что катализаторы могут ускорить химические реакции определенного типа, а некоторые химические реакции вообще идут только в присутствии катализатора. Подробные знания структуры и принципов действия катализаторов очень важны для некоторых отраслей промышленности, особенно при производстве многих химических соединений, где использование подходящих катализаторов позволит увеличить эффективность производства и избежать выбросов вредных отходов в окружающую среду.
«Изучение работы катализаторов в сверхскоростных масштабах времени с молекулярной точностью очень важно для организации производства новых видов синтетического топлива, стоимость производства которого может быть существенно уменьшена, для создания альтернативных источников энергии, которые не загрязняют окружающую среду» — рассказал Андерс Нильсон (Anders Nilsson), заместитель директора Стэнфордского университета и руководитель научного центра SLAC SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis.
Проводя свои эксперименты, ученые изучали химическую реакцию с участием угарного газа (CO), проходящую на поверхности кристалла рутения, достаточно известного и изученного катализатора. На поверхность кристалла был сфокусирован луч лазера, который позволял удерживать молекулы газа на некотором расстоянии от поверхности. После этого, используя сверхкороткие импульсы рентгеновского излучения, ученые исследовали это «пограничное» состояние каталитической реакции, в котором молекулы газа еще продолжали существовать как газ, но некоторые из них уже были пойманы в ловушку и начинали взаимодействовать с катализатором.
«Мы даже не ожидали увидеть такое необычное состояние химической реакции и взаимодействия газа с материалом катализатора» — рассказал Нильсон, — «Это стало для нас большим сюрпризом».
Помимо того, что данный эксперимент стал первым экспериментом, позволившим в режиме реального времени изучить начальные стадии каталитической химической реакции, он также показал ученым, что количество молекул газа и время их удержания в «ловушке» катализатора, намного превысили значения, которые ожидали получить ученые. Такие неожиданные результаты подняли ряд новых вопросов о взаимодействии химических веществ на уровне атомов, которые будут изучаться во время будущих исследований.
