Elektronen kunnen binnen moleculen bewegen wanneer ze van buitenaf worden geëxciteerd of tijdens een chemische reactie. Voor de eerste keer, wetenschappers zijn er nu in geslaagd om de eerste tientallen attoseconden van deze elektronenbeweging in een vloeistof te bestuderen.

Om te begrijpen hoe chemische reacties beginnen, scheikundigen gebruiken al jaren super-slow-motion experimenten om de allereerste momenten van een reactie te bestuderen. Tegenwoordig, metingen met een resolutie van enkele tientallen attoseconden zijn mogelijk. Een attoseconde is 1x10 ^-18 (een triljoenste) van een seconde, d.w.z., een miljoenste van een miljoenste van een miljoenste van een seconde.

"In deze eerste paar dozijn attoseconden van een reactie, je kunt al zien hoe elektronen binnen moleculen verschuiven, " legt Hans Jakob Wörner uit, professor aan het Laboratorium voor Fysische Chemie aan de ETH Zürich. "Later, in de loop van ongeveer 10, 000 attoseconden, of 10 femtoseconden, chemische reacties resulteren in bewegingen van atomen tot en met het verbreken van chemische bindingen."

Vijf jaar geleden, de ETH-professor was een van de eerste wetenschappers die elektronenbewegingen in moleculen op de attoseconde schaal detecteerde. Echter, tot nu toe, dergelijke metingen konden alleen worden uitgevoerd op moleculen in gasvorm omdat ze plaatsvinden in een hoogvacuümkamer.

Vertraagd transport van elektronen uit de vloeistof

Na het bouwen van nieuwe meetapparatuur, Wörner en zijn collega's zijn er nu in geslaagd om dergelijke bewegingen in vloeistoffen te detecteren. Hiertoe, maakten de onderzoekers gebruik van foto-emissie in water:ze bestraalden watermoleculen met licht, waardoor ze elektronen uitzenden die ze vervolgens konden meten. "We hebben ervoor gekozen om dit proces te gebruiken voor ons onderzoek omdat het mogelijk is om het met hoge temporele precisie te starten met behulp van laserpulsen, ' zegt Wörner.

Ook de nieuwe metingen vonden plaats in hoogvacuüm. Wörner en zijn team injecteerden een 25 micrometer dunne watermicrojet in de meetkamer. Hierdoor konden ze ontdekken dat elektronen 50 tot 70 attoseconden later worden uitgezonden door watermoleculen in vloeibare vorm dan door watermoleculen in dampvorm. Het tijdsverschil is te wijten aan het feit dat de moleculen in vloeibare vorm omringd zijn door andere watermoleculen, wat een meetbaar vertragingseffect heeft op individuele moleculen.

Belangrijke stap

"Elektronenbewegingen zijn de belangrijkste gebeurtenissen in chemische reacties. Daarom is het zo belangrijk om ze te meten op een tijdschaal met hoge resolutie, Wörner zegt. "Vooral de stap van metingen in gassen naar metingen in vloeistoffen is van belang, omdat de meeste chemische reacties - vooral degenen die biochemisch interessant zijn - plaatsvinden in vloeistoffen."

Onder degenen, er zijn talloze processen die zoals foto-emissie in water, worden ook getriggerd door lichtstraling. Deze omvatten fotosynthese in planten, de biochemische processen op ons netvlies die ons in staat stellen te zien, en schade aan DNA veroorzaakt door röntgenstralen of andere ioniserende straling. Met behulp van attoseconde metingen, wetenschappers moeten de komende jaren nieuwe inzichten krijgen in deze processen.