Stichting FOM
Vloeistofmoleculen lossen energieoverschot samen op
Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam ontdekten dat
gelijksoortige moleculen samenwerken om een overschot aan
trillingsenergie snel kwijt te raken. Wanneer de moleculen iets van
elkaar verschillen, doordat sommigen zwaardere atoomkernen hebben,
verdwijnt dit samenwerkingseffect. FOM-postdoc Danny Shaw en FOM-oio
Matthijs Panman publiceerden er samen met hun supervisor Sander
Woutersen een artikel over in Physical Review Letters van 27 november
2009.
Figuur 1. Overdracht van trillingsenergie
vergroten Figuur 1. Overdracht van trillingsenergie
Bij gelijke moleculen wordt een hoogfrequente trilling (voor dit
experiment opgewekt met een laserpuls) binnen een biljoenste seconde
overgedragen naar een naastgelegen molecuul waardoor de trilling
uitdooft.
De bindingen tussen atomen in een molecuul kunnen zich gedragen als
kleine veertjes, die kunnen trillen. Zulke moleculaire trillingen
ontstaan bijvoorbeeld tijdens een chemische reactie waarbij warmte
vrijkomt. Tijdens zo'n reactie wordt een overschot aan energie eerst
omgezet in een hoogfrequente moleculaire trilling, die vervolgens
uitdooft. Tijdens dit proces wordt de trillingsenergie omgezet in
warmte.
Shaw en Panman hebben van een paar veelgebruikte vloeistoffen,
waaronder alcohol, gemeten hoe lang het uitdoven van zo'n trilling
duurt. Het blijkt dat de moleculaire trillingen in minder dan een
biljoenste seconde zijn uitgedoofd. Het verrassende is dat de
moleculen blijken samen te werken om hun trillingsenergie zo snel
kwijt te raken. Dit samenwerken gebeurt alleen tussen gelijksoortige
moleculen, in een onverdunde vloeistof: ze merken als het ware elkaars
aanwezigheid. Wanneer je een deel van de vloeistofmoleculen vervangt
door precies hetzelfde type moleculen met net iets zwaardere
atoomkernen (een verdund isotopenmengsel), verdwijnt het
samenwerkingseffect, en hebben de moleculen ineens twee keer zoveel
tijd nodig om hun trillingsenergie kwijt te raken.
Deze resultaten, die op 27 november 2009 zijn gepubliceerd in Physical
Review Letters, laten zien dat het voor het bestuderen van moleculaire
processen in een simpele vloeistof als alcohol van belang is of het
gaat om gewone alcohol of een isotopenmengsel. Gewone vloeistoffen
gedragen zich anders dan op grond van experimenten met
isotopenmengsels werd aangenomen.