Tema

Så studeras en kvävgasmolekyl i detalj

Genom att använda röntgenabsorption vid studier av kvävgas, och utgå ifrån en jon istället för ifrån en neutral molekyl, kan man få ut mycket mer detaljerad information. Det går att göra djupare analyser än vad den etablerade så kallade ESCA-metoden har gett möjlighet till.

– Metoden är mycket mera precis, och vi ser nya spännande detaljer i innehållstillstånden. Vi kan studera laddade partiklar av enkla gasmolekyler och vi ser tydligt hur elektronerna växelverkar. Nu kan vi få ut detaljer som man bara kunnat gissa sig till tidigare. Den här detaljrikedomen har också bidragit till utvecklingen av teoretiska modeller för att kunna beskriva våra resultat. Våra resultat är en språngbräda för att kunna studera mer komplicerade molekyler, säger Rebecka Lindblad, postdoktor vid Institutionen för kemi – Ångström, vid Uppsala universitet, och studiens försteförfattare.

Analysverktyg som gav Nobelpris

1981 fick den svenska fysikern Kai Siegbahn (1918-2007) Nobelpriset i fysik för utvecklingen av den så kallade ESCA-metoden, elektronspektroskopi där man noggrant kan mäta de inre elektronerna i atomer. Poängen med den metoden är att de inre elektronerna berättar om de mikroskopiska mekanismer som är grunden för materiens egenskaper. Kai Siegbahn och hans medarbetare byggde avancerade elektronspektrometrar, instrument där man kan mäta elektronernas energi.

Elektronspektroskopi, ESCA eller XPS, är ett av de mest använda verktygen för kemisk ytanalys inom naturvetenskap, medicin och teknik. Med metoden kan man studera elektronerna i ett ämne, vilka i sin tur bestämmer egenskaperna hos materialet.

– Röntgenabsorption är vanligtvis ett komplement till ESCA, men med vår metod kommer vi till samma tillstånd som med ESCA, utan att behöva en elektronspektrometer. Detta gör vi genom att börja med att ta bort en yttre elektron från molekylen och sedan få en innerelektron att ta den tomma platsen.

Undersökt kvävgasjoner

I studien har forskarna tittat på kvävgas, en enkel molekyl som består av två kväveatomer, och har studerats med otaliga metoder under en lång tid. Det nya är att forskarna nu har plockat bort en av de elektroner som sitter mest löst i bindningen. Den jon som då skapas (en positivt laddad atom) har de belyst med röntgenstrålning. Energin i röntgenstrålningen överförs till elektroner i kvävgasjonen och på så sätt kan elektronerna exciteras, hoppa mellan olika ”skal”, i molekylen.

Atomer, molekyler och joner

En molekyl består av två eller flera atomer.
En atom består av en kärna av positivt laddade protoner, och ungefär lika många neutroner. Runt kärnan kretsar negativt laddade elektroner i olika ”skal”. Antalet protoner/elektroner i atomen avgör vilket grundämne det är. Väte (H), som är vårt enklaste (och vanligaste) grundämne består av en proton och en elektron. Kväve (N), med atomnummer 7, består av 7 protoner och 7 elektroner. Kvävgasmolekylen, N2, består av två atomer.
En jon är en atom eller molekyl som fått en eller flera elektroner för mycket – eller för lite – vilket gör hela atomen/molekylen laddad. Detta fenomen utgör grunden för kemiska bindningar mellan positiva och negativa joner.

– Eftersom de molekyljoner vi studerar också finns i rymden skulle våra resultat kunna användas för att tolka ljus som kommer hit från andra solsystem. Vi får också ut information som är användbar för fysiker i andra sammanhang, processer som sker när man till exempel använder en jättestark laser. De siffror vi får ut är användbara för andra forskare.

Varför är det viktigt att hitta ett alternativ till ESCA?

– I de allra flesta fall är ESCA en alldeles utmärkt metod, men i vissa fall, till exempel om man vill studera en mycket liten mängd av ett gasformigt ämne är vår metod känsligare än ESCA. En bonus är att vi får samma information som ESCA, men vissa effekter är mer framträdande, vilket gör att vi kan dra slutsatser som man inte kunnat göra med ESCA. Även om den nya metoden är enkel i princip, är den nog för komplicerad i praktiken, för att vi ska ha en ny ESCA-metod som är användbar i stor skala.

Projektet har kunnat genomföras i ett stort samarbete med forskare bland annat i Lund och vid Helmholtz-Zentrum Berlin, där det finns just den jonfälla och den synkrotron som krävs.

Vetenskaplig artikel:

X-ray absorption spectrum of the N2+ molecular ion. Lindblad R, et al (2020). Physical Review Letters, 20 maj 2020.

Kontakt:

Rebecka Lindblad, postdoktor vid Institutionen för kemi – Ångström, Uppsala universitet, rebecka.lindblad@kemi.uu.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Så studeras en kvävgasmolekyl i detalj

 lästid ~ 3 min