Röntgenlaser avslöjar kemisk reaktion
Vad händer när en kemisk bindning bryts? Den frågan har nyligen besvarats med hjälp av en så kallad fri-elektronröntgenlaser som gör det möjligt att i realtid följa hur bindningarna i en molekyl förändras och bryts. Studien som publicerats i Science fann bland annat bevis för ett omdiskuterat mellantillstånd innan molekyler binder till eller lämnar en metallyta.
Möjligheten att på molekylär nivå följa hur elektronstrukturen förändras i en kemisk reaktion skapar helt nya förutsättningar att i detalj undersöka och förstå viktiga kemiska processer.
– Att identifiera och karakterisera kortlivade mellantillstånd i kemiska reaktioner på metallytor har länge varit en dröm, säger Henrik Öström vid Fysikum, Stockholms universitet, som ingår i det internationella forskarteam som utfört studien. Med den nya fri-elektronröntgenlasern på SLAC har vi nu visat att drömmen blivit verklighet och kunnat identifiera ett kortlivat mellantillstånd när CO molekylers bindning till en metallyta bryts eller skapas.
SLAC National Accelerator Laboratory var länge ett flaggskepp vad gäller partikelfysik där elektroner accelererades till nära ljushastigheten i en tre kilometer lång linjär accelerator. Nu har acceleratorn byggts om till att istället generera kraftiga, ultrakorta (10-100 femtosekunder) pulser av röntgenstrålar med våglängd som gör det möjligt att undersöka omgivningen till enskilda atomer i en molekyl. Pulserna är tillräckligt korta för att ge en ögonblicksbild av elektronfördelningen kring atomen. Genom att variera fördröjningen mellan att man startar en reaktion och när man undersöker elektronfördelningen med röntgenpulsen kan man skapa en tidsupplöst bild av förändringarna under reaktionens gång.
– En första utmaning var om den oerhört kraftiga röntgenpulsen skulle förstöra provet, förklarar Anders Nilsson, professor i synkrotronljusfysik vid SLAC och adjungerad professor vid Stockholms universitet. Det visade sig dock fullt möjligt att justera experimentet så att mätningarna kunde genomföras.
Röntgenlasern undersöker förändringen i elektronstrukturen då CO molekyler desorberar från en metallyta av rutenium. Ungefär 30% av molekylerna pumpas med hjälp av en femtosekunds optisk laser upp från det ytbundna (”chemisorbed”) tillståndet till ett transient mellantillstånd (”precursor”) där de växelverkar svagt med ytan. Genom att undersöka molekylerna med röntgenlasern med olika fördröjning kan man visa att tidsskalan för att nå precursortillståndet är några pikosekunder och att de befinner sig där några tiotal pikosekunder innan de antingen lämnar ytan helt eller återvänder till ytan.
I experimentet doserades CO molekyler in på en metallyta av rutenium som bland annat används i bilavgaskatalysatorer. CO binder starkt till ytan men kan fås att lossna genom att ytan hettas upp vilket gjordes med en puls från en optisk laser. Genom att starta reaktionen samtidigt för alla molekylerna fick teamet tillräckligt många molekyler samtidigt att gå in i ett tillstånd där de nästan lossnat från ytan men fortfarande binder svagt till den. Från detta kortlivade tillstånd kan sedan molekylerna antingen gå vidare ut i gasfas eller åter binda till ytan när den kallnar igen.
– Det har länge spekulerats kring om ett sådant tillstånd, så kallat ”precursor”, existerar – det nya experimentet är det första som direkt visar dess existens, berättar Lars G. M. Pettersson vid Fysikum, Stockholms universitet. Nu fortsätter studierna med mer komplicerade reaktioner av intresse bland annat för syntetiska bränslen.
Förutom forskarna vid Stockholms universitet deltog forskare från Stanford University, SLAC, Hamburgs universitet, Danmarks tekniska universitet, Helmholtz-Zentrum Berlin och Fritz-Haber-Institut Berlin.
