Aardgas wordt in raffinaderijen gebruikt als basis voor producten als acetyleen. De efficiëntie van gasvormige reacties hangt af van de dynamiek van de moleculen:hun rotatie, trillingen en translatie (directionele beweging). Deze bewegingen leveren de kinetische energie om reacties aan te sturen. Door de gasdynamiek te begrijpen, onderzoekers kunnen efficiëntere en milieuvriendelijkere industriële systemen ontwerpen.

Gasmoleculen kunnen worden bestudeerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). In tegenstelling tot optische microscopie, TEM gebruikt een bundel elektronen in plaats van licht, en heeft een veel hogere resolutie, in staat om enkele atomen te visualiseren. Een recente studie gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten meldt het werk van een team van het Institute of Industrial Science (IIS) van de Universiteit van Tokyo, dat samenwerkt met Hitachi High-Technologies Corp. De onderzoekers gebruikten een geavanceerde versie van TEM om de dynamiek van eenvoudige gassen bij hoge temperatuur te bestuderen.

"In TEAM, de energetische elektronenstraal kan worden gebruikt om tegelijkertijd een ander experiment uit te voeren, bekend als energieverlies near-edge structure [ELNES], " zegt eerste auteur Hirotaka Katsukura. "De elektronen in de straal geven een deel van hun kinetische energie af als ze door het monster gaan. Het meten van dit energieverlies laat zien welke elementen aanwezig zijn en hoe ze met elkaar verbonden zijn."

In theorie, ELNES kan ook de dynamiek van gasmoleculen meten, niet alleen hun chemische binding. Echter, onderzoekers hadden nog nooit eerder dynamische informatie uit ELNES gehaald. Het IIS-team koos vier gassen:zuurstof, methaan, stikstof en koolmonoxide - waarvan de binding goed wordt begrepen, en voerde ELNES uit bij kamertemperatuur en 1, 000°C. Cruciaal, ze voerden ook computersimulaties uit van deze gassen, met behulp van moleculaire dynamica code, om de effecten van hoge temperaturen theoretisch te voorspellen.

Over het algemeen, wanneer moleculen worden opgewarmd, ze trillen sneller en de bindingen tussen hun atomen worden langer. In de IIS-experimenten, twee gassen - zuurstof en methaan - deden dat, inderdaad, dynamische veranderingen vertonen bij hoge temperatuur, met aanzienlijk snellere trillingen. Echter, stikstof en koolmonoxide leken bij 1000°C niet anders te trillen, ondanks hun extra kinetische energie. Bovendien, de gesimuleerde trillingen van methaan bij hoge temperaturen kwamen nauw overeen met de experimenten, maar de trilling van hete zuurstof werd overschat.

"Gasmoleculen in een verwarming kunnen op drie manieren kinetische energie krijgen, zegt corresponderende auteur Teruyasu Mizoguchi. door tegen elkaar te botsen, door het verwarmingselement direct aan te raken, of door indirect warmte te absorberen via infraroodstralen. Dit laatste is alleen mogelijk voor gassen met polaire chemische bindingen, waarbij het ene element elektronen van het andere wegtrekt. Dat geldt voor methaan (CH4), maar geen zuurstof, een puur element. Daarom, zuurstof warmde langzamer op dan de simulaties voorspelden."

In de tussentijd, het falen van stikstof en koolmonoxide om vibratie-excitatie te ondergaan was ook een gevolg van hun bindingen, maar in dit geval, ze waren gewoon te stijf om veel sneller te trillen. Deze bevindingen onderstrepen het belang om rekening te houden met chemische binding, zelfs voor ogenschijnlijk eenvoudige processen zoals de vibratie van een molecuul van twee atomen.

Niettemin, het team is van mening dat snelle ontwikkelingen in ELNES de methode binnenkort gevoelig genoeg zullen maken om vibratieveranderingen te detecteren, zelfs in starre moleculen. Dit zal de weg openen naar een beter begrip van gasreacties op atomair niveau.