Stichting FOM
4 maart 2010, 2010/10
Chemische kameleon geeft camouflage prijs
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen hebben
samen met Duitse collega's een molecuul in kaart gebracht, waarin de
atomen voortdurend van plaats wisselen. De chemische kameleon CH +
staat model voor een hele klasse moleculen met een belangrijke rol in
de koolwaterstofchemie. Metingen met de infrarood
vrije-elektronenlaser FELIX van FOM-Rijnhuizen en ingewikkelde
quantumsimulaties waren nodig om de structuur van CH + op te
helderen. De onderzoekers publiceren hun ontdekking in het
toonaangevende tijdschrift Nature Chemistry.
Ionenval
vergroten Ionenval
In deze lage temperatuur ionenval worden de te onderzoekende ionen
opgesloten. Daarna worden ze blootgesteld aan infraroodlicht van de
vrije-elektronenlaser FELIX en tot reactie gebracht. Op de voorgrond
is ter illustratie het infraroodspectrum van het CHD ^+ molecuul te
zien. Elk van de onderzochte varianten (met telkens één waterstof door
deuterium vervangen) vertoont een duidelijk ander spectrum. Daaruit is
de voorkeurspositie van waterstof en deuterium rond het koolstofatoom
af te leiden.
bron: Universiteit Keulen
FELIX
vergroten FELIX
Foto van de vrije-elektronenlaser FELIX waarmee de infraroodstraling
voor de experimenten aan CH ^+ opgewekt wordt.
bron: FOM-Rijnhuizen
In de meeste moleculen hebben de atomen een vaste rangschikking en
daardoor een duidelijke structuur. Een belangrijke uitzondering is
CH +, dat ontstaat door een extra waterstofatoom toe te voegen aan
een methaanmolecuul. Zelfs bij heel lage temperatuur zijn de vijf
waterstofatomen (H) van CH + permanent in beweging en tollen rond
het kolenstofatoom (C). Een team van experimentele en theoretische
wetenschappers uit Nederland en Duitsland is erin geslaagd die
bewegingen van de waterstofatomen te traceren. Ze onderzochten wat de
chemische kameleon doet als de lichtere waterstofkernen (protonen) één
op één worden vervangen door de zwaardere deuteriumkernen. Dat bleek
niet te verklaren met standaardmodellen; het team moest geavanceerde
quantumberekeningen toepassen om hun metingen te verklaren.
Voorkeursposities in het molecuul
CH + verandert razendsnel van structuur, maar de dans van de
protonen om het koolstofatoom zit zo in elkaar dat één structuur
duidelijk domineert. Die werd al eerder door de onderzoekers gevonden:
een driepoot van CH waar een H eenheid aan hangt. Ze toonden
toen ook aan dat de waterstofatomen onderling razendsnel van positie
wisselen (Science 309, 1219-1222 (2005)). Die ontdekking riep meteen
nieuwe vragen op: Wat gebeurt er als een waterstofatoom (H) door zijn
zwaardere broer deuterium (D) vervangen wordt? Zit het deuterium
evenveel op elke plaats in het molecuul, of is er een
voorkeurspositie?
Infrarood spectroscopie
Om de dans van CH + zichtbaar te maken, is het infraroodlicht van
de vrije-elektronenlaser FELIX van FOM-Rijnhuizen gebruikt. Die is
voor dit soort onderzoek bijzonder geschikt vanwege het grote
afstembereik (over een groot golflengtegebied kan elke gewenste kleur
worden ingesteld) en de hoge intensiteit van de opgewekte straling.
Door het waterstof in het CH + molecuul één voor één te vervangen
door deuterium, ontstaat een reeks varianten: CH +, CH +D, CH
+D , ..., CD +. Elke vorm werd met duizenden tegelijk in een
geavanceerde ionenval opgesloten en tot lage temperaturen afgekoeld,
waarna met FELIX infraroodspectra zijn opgenomen. Elk
infraroodspectrum geeft een kenmerkende vingerafdruk van de interne
bewegingen van het onderzochte molecuul.
Kwantumberekeningen helderen atoombeweging op
De experimentele spectra laten dramatische veranderingen zien als
gevolg van de substitutie van H door D die niet met standaardmodellen
te verklaren zijn. Dat was alleen mogelijk met geavanceerde
computersimulaties, die rekening houden met de quantumeigenschappen
van de waterstofatomen. Door theoretische en experimentele spectra te
vergelijken ontdekten de wetenschappers de voorkeuren van de H- en
D-atomen. In de drie-en-tweepoot van het molecuul zitten de zwaardere
D-atomen vaker in de driepoot en kiezen de lichtere H-atomen bij
voorkeur de H -eenheid. Deze ontdekking is van fundamenteel belang
voor andere onderzoekers, omdat CH + geldt als prototype voor een
hele klasse van moleculen waarbij de atomen voortdurend van positie
wisselen. De ontwikkelde technieken kunnen daardoor leiden tot meer
begrip van deze beweeglijke moleculen.
Contact
Dr. Britta Redlich
FELIX Facility manager, FOM-Instituut Rijnhuizen
B.Redlich@rijnhuizen.nl | 030 - 609 69 99
Drs. Gieljan de Vries
Hoofd publiekscommunicatie, FOM-Instituut Rijnhuizen
g.devries@rijnhuizen.nl | 030 - 609 69 02
Artikel
Quantum-induced symmetry breaking explains infrared spectra of CH +
isotopologues
Nature Chemistry, 28 February 2010, doi:10.1038/nchem.574
http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.574.html
Onderzoeksteam
Sergei D. Ivanov (Ruhr-Universität Bochum), Oskar Asvany (Universität
zu Köln), Alexander Witt (Ruhr-Universität Bochum), Eduouard Hugo
(Universität zu Köln), Gerald Mathias (Ruhr-Universität Bochum),
Britta Redlich (FELIX, Rijnhuizen), Dominik Marx (Ruhr-Universität
Bochum), en Stefan Schlemmer (Universität zu Köln).