Wetenschappers zijn constant op zoek naar de bron van zaken als de oorsprong van het heelal, zaak of leven. Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), in samenwerking met het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en verschillende andere universiteiten, hebben een manier aangetoond om het meest verborgen aspect van alle chemische reacties experimenteel te detecteren - de extreem kortstondige overgangstoestand die optreedt bij hun initiatie. Deze cruciale ontdekking zou een belangrijke rol kunnen spelen bij het verkrijgen van het vermogen om de uitkomsten van chemische processen te voorspellen en extern te controleren.

"De overgangstoestand is de sleutel in de hele chemie omdat het de producten van moleculaire reacties regelt, " zei Kirill Prozument, hoofdauteur en chemicus bij de afdeling Chemische Wetenschappen en Engineering van Argonne. Gewapend met meer volledige kennis van bepaalde chemische reacties, beginnend bij de overgangstoestand, onderzoekers kunnen industriële processen verbeteren waarbij enorme hoeveelheden van een chemische stof worden geproduceerd, waardoor enorme hoeveelheden energie en geld worden bespaard, evenals het verminderen van afval. Hetzelfde principe kan ook worden toegepast bij de synthese van nieuwe, levensreddende medicijnen.

De levensduur van deze overgangsfase is kort, zo kort als quadriljoensten van een seconde. Het probleem was dat het niet mogelijk was om de structuur van deze vluchtige toestand experimenteel te observeren of om er indirect voldoende details over te extraheren uit de chemische producten die erdoor ontstaan, tot nu.

"Natuurkundigen kunnen de oerknal niet rechtstreeks waarnemen, die bijna 14 miljard jaar geleden gebeurde, of de overgangstoestand die leidde tot de vorming van ons universum, " legde Prozument uit. "Maar ze kunnen verschillende boodschappers meten die overblijven van de oerknal, zoals de huidige verdeling van materie, en daardoor veel dingen te ontdekken over de oorsprong en evolutie van ons universum. Een soortgelijk principe geldt voor chemici die reacties bestuderen."

Centraal in deze prestatie staat de experimentele techniek van het team, chirped-pulse millimetergolf spectroscopie, die karakterisering van meerdere concurrerende overgangstoestanden mogelijk maakt op basis van de door vibratie geëxciteerde moleculen die resulteren in de onmiddellijke nasleep van een reactie. Deze techniek is ongeëvenaard in zijn precisie bij het bepalen van de moleculaire structuur en het oplossen van overgangen die voortkomen uit verschillende vibratie-energieniveaus van de productmoleculen.

Vele handen hebben bijgedragen aan de verfijning van deze experimentele techniek om het toepassingsgebied uit te breiden van de microgolf tot het millimetergebied, waaronder Prozument en Robert Field, de Robert T. Haslam en Bradley Dewey hoogleraar scheikunde aan het MIT en de hoofdauteur van het onderzoek.

Met deze krachtige techniek het team analyseerde de reactie tussen vinylcyanide en ultraviolet licht geproduceerd door een speciale laser, die verschillende producten vormt die waterstof bevatten, koolstof en stikstof. Ze waren in staat om de trillingsenergieën te meten die verband houden met de nieuw gevormde productmoleculen en de fracties van moleculen in verschillende trillingsniveaus. De eerste geeft de amplitudes aan waarvan atomen binnen een molecuul ten opzichte van elkaar bewegen. De laatste geeft informatie over de geometrie van groepen atomen in de overgangstoestand terwijl ze een productmolecuul voortbrengen - in dit geval de mate van buigexcitatie in de bindingshoek tussen de waterstof, koolstof- en stikstofatomen. Op basis van hun metingen, het team identificeerde twee overgangstoestanden die verschillende routes bepalen waardoor het molecuul waterstofcyanide (HCN) tot leven komt uit de reactie.

"Ons werk toont aan dat de experimentele techniek in principe werkt, Prozument zegt. "De volgende stap zal zijn om het toe te passen op complexere reacties en verschillende moleculen." Het werk van het team zou dus ooit een grote impact kunnen hebben op het gebied van de chemie.

Het artikel met de titel "Fotodissociatie-overgangstoestanden gekenmerkt door chirped pulse millimetergolfspectroscopie" verscheen in de 7 januari, 2020 uitgave van de Proceedings van de National Academy of Sciences .