Hoe chemische bindingen worden gevormd: natuurkundigen observeren de energiestroom in realtime

Voor het eerst heeft een onderzoeksteam onder leiding van Markus Koch van het Institute of Experimental Physics aan de Graz University of Technology (TU GRAZ) in realtime gevolgd hoe individuele atomen combineren om een ​​cluster te vormen en welke processen betrokken zijn.

Om dit te bereiken, geïsoleerde magnesiumatomen eerst met behulp van superfluïd helium en gebruikten vervolgens een laserpuls om het vormingsproces te activeren. De onderzoekers konden deze clustervorming en de betrokken energieoverdracht tussen individuele atomen met een tijdelijke resolutie in het femtoseconde bereik waarnemen.

Zij publiceerde hun bevindingen in het dagboek Communicatiechemie.

‘Nano-Refrigerator’ brengt atomen in de startpositie

“Normaal gesproken vormen magnesiumatomen onmiddellijk strakke bindingen, wat betekent dat er geen gedefinieerde startconfiguratie is voor observatie van de bindingsformatieprocessen”, legt Koch uit.

De onderzoekers hebben dit probleem opgelost, wat vaak ontstaat bij het observeren van chemische processen in realtime, door experimenten uit te voeren met superfluïde heliumdruppeltjes. Deze druppeltjes werken als ultra-koude “nano-frides” die de individuele magnesiumatomen van elkaar isoleren bij extreem lage temperaturen van 0,4 kelvine (= -272,75 graden Celsius of 0,4 graden Celsius boven absolute nul) op een afstand van een miljoen van een millimeter.

“Met deze configuratie konden we clustervorming initiëren met een laserpuls en deze precies in realtime volgen”, legt Michael Stadlhofer uit, die de experimenten uitvoerde als onderdeel van zijn doctoraatsthesis.

De onderzoekers observeerden de processen die werden geactiveerd door de laserpuls met behulp van foto -elektron en fotoionspectroscopie. Terwijl de magnesiumatomen gecombineerd om een ​​cluster te vormen, werden ze geïoniseerd met een tweede laserpuls.

Koch en zijn collega’s konden de processen die betrokken zijn bij details reconstrueren op basis van de gevormde ionen en elektronen die werden vrijgegeven.

Atomen bundelen hun energie

Een belangrijke ontdekking hier is energiepooling. Terwijl ze aan elkaar binden, brengen verschillende magnesiumatomen de excitatie -energie over die wordt ontvangen van de eerste laserpuls naar een enkel atoom in het cluster, zodat het een veel hogere energietoestand bereikt. Dit is de eerste keer dat het poolen van energiebedrijven is aangetoond met tijdresolutie.

“We hopen dat deze atomaire scheiding in heliumdruppeltjes ook zal werken voor een grotere klasse elementen en dus een algemeen toepasbare methode worden in basisonderzoek”, zegt Koch.

“Bovendien kunnen de bevindingen over energiepooling relevant zijn voor energie-overdrachtsprocessen in verschillende toepassingsgebieden, bijvoorbeeld in fotomedicine of bij het gebruik van zonne-energie.”