Het is een understatement om te zeggen dat overal chemische reacties plaatsvinden, constant. Zowel in de natuur als in het laboratorium, chemie is alomtegenwoordig. Maar ondanks vorderingen, het blijft een fundamentele uitdaging om een ​​volledig begrip en controle te krijgen over alle aspecten van een chemische reactie, zoals temperatuur en de oriëntatie van reagerende moleculen en atomen.

Dit vereist geavanceerde experimenten waarbij alle variabelen die bepalen hoe twee reactanten elkaar benaderen, en uiteindelijk reageren met, elkaar kunnen vrij worden gekozen. Door zaken als de snelheid en de oriëntatie van de reactanten te regelen, scheikundigen kunnen de fijnste details van een bepaald reactiemechanisme bestuderen.

In een nieuwe studie, een team onder leiding van Andreas Osterwalder bij EPFL's Institute of Chemical Sciences and Engineering, werken met theoretici van de Universiteit van Toronto, hebben een apparaat gebouwd waarmee ze de oriëntatie en energieën van reagerende atomen kunnen regelen, tot bijna het absolute nulpunt. "Het is de koudste vorming van een chemische binding ooit waargenomen in moleculaire bundels, " zegt Osterwalder. Een moleculaire bundel is een gasstraal in een vacuümkamer, vaak gebruikt in spectroscopie en studies in fundamentele chemie.

De wetenschappers hebben twee van dergelijke bundels gebruikt die samensmelten tot een enkele bundel om chemi-ionisatie te bestuderen, een fundamenteel energieoverdrachtsproces dat in verschillende toepassingen wordt gebruikt, bijv. bij massaspectrometrie. Tijdens chemi-ionisatie, een atoom of molecuul in de gasfase reageert met een ander atoom of molecuul in een aangeslagen toestand en creëert een ion. De identiteit van het resulterende ion hangt af van de reactie, een nieuwe binding kan worden gevormd tijdens de botsing, resulterend in een moleculair ion, of anders kan een atomair ion worden gevormd

De onderzoekers bestudeerden de reactie tussen twee gassen:een aangeslagen neonatoom en een argonatoom. Hun apparaat bevat een paar magneetmagneten die worden gebruikt om de richting van een magnetisch veld waarin de reactie plaatsvindt nauwkeurig af te stemmen, waardoor de onderzoekers de feitelijke oriëntatie van de twee atomen ten opzichte van elkaar konden regelen. "Ook al worden atomen vaak voorgesteld als bolletjes, het zijn normaal gesproken geen bolvormige objecten, " zegt Osterwalder. "Precies omdat ze dat niet zijn, ze hebben specifieke oriëntaties, en dit kan hun reactiviteit beïnvloeden."

Maar hoewel het experiment de oriëntatie kon regelen, die op zijn beurt de hoeveelheid atomaire versus moleculaire ionen die door de chemi-ionisatie werden gevormd, regelde, ontdekten de onderzoekers dat onder een temperatuur van ongeveer 20 Kelvin (- 253.15 °C), de interatomaire krachten namen het over en de atomen heroriënteerden zich ongeacht het toegepaste veld.

"Dit is de eerste keer dat iemand dit bij zo'n lage temperatuur heeft gedaan, ", zegt Osterwalder. "Met dit niveau van controle, we kunnen enkele van de meest fundamentele modellen in de kern van de chemie bestuderen, zoals de relatie tussen oriëntatie en reactiviteit."