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).