Bij chemische reacties gaat het noodzakelijkerwijs om het samenkomen van moleculen, en de manier waarop ze met elkaar omgaan, kan afhangen van hoe ze ten opzichte van elkaar zijn uitgelijnd. Door de uitlijning van moleculen te kennen en te beheersen, er valt veel te leren over het ontstaan ​​van chemische reacties. Deze week in The Journal of Chemical Physics , wetenschappers van de Universiteit van Aarhus in Denemarken en het Instituut voor Wetenschap en Technologie in Oostenrijk rapporteren een nieuwe techniek voor het uitlijnen van moleculen met behulp van lasers en zeer koude heliumdruppels.

Deze nieuwe methode brengt moleculen scherper op één lijn dan mogelijk is voor de in wezen geïsoleerde moleculen van die in de gasfase. Dit komt door het feit dat een molecuul ingebed in een zeer koude druppel dezelfde lage temperatuur heeft als de druppel zelf, slechts 0,4 kelvin, of -272,75 graden Celsius. Het is slechts zelden mogelijk om zulke lage temperaturen te verkrijgen voor moleculen in de gasfase, dus deze techniek belooft een belangrijk nieuw regime voor studie te openen.

De methode maakt gebruik van een paar laserpulsen in een zogenaamde pomp-sondemethode. De eerste puls lijnt het enkele molecuul uit zodra het is afgezet in een heliumdruppel. De tweede laserpuls, de sondepuls, wordt gebruikt om de uitlijning te bepalen, het molecuul uit elkaar schieten en het in ionen scheiden. De ionen vliegen onder bepaalde hoeken weg en kunnen worden gedetecteerd met een camera die is gekoppeld aan een computer.

"In staat zijn om de uitlijning van grote moleculen te controleren is geen eenvoudige prestatie, " Henrik Stapelfeldt van de Universiteit van Aarhus zei:"Omdat naarmate moleculen groter worden, het steeds moeilijker wordt om ze in de gasfase te krijgen en af ​​te koelen."

De onderzoekers bestudeerden drie systemen:jodium (I2) moleculen, die een eenvoudige lineaire haltervorm hebben, en twee meer complexe moleculen bestaande uit benzeenringen met ofwel jodium- of broomatomen aan de ring. In alle drie de gevallen ze bereikten een sterke uitlijning van een enkel molecuul ingebed in een koude heliumdruppel met de twee-pulstechniek.

Omdat I2 een eenvoudige lineaire vorm heeft, de onderzoekers waren beter in staat om hun experimentele resultaten te vergelijken met theoretische voorspellingen. Hieruit bleek dat de laser-geïnduceerde uitlijning van moleculen in heliumdruppeltjes in wezen identiek was aan die in de gasfase, zolang de uitlijning adiabatisch werd gedaan, of geleidelijk met betrekking tot de reacties van de moleculen.

Om adiabatische uitlijning uit te voeren, de eerste laserpuls wordt langzamer ingeschakeld dan de inherente rotatieperiode van het bestudeerde molecuul. Hierdoor kan een vrij roterend jodiummolecuul, zeggen, om sterk uit te lijnen met de polarisatie-as van de laser, op vrijwel dezelfde manier als een kompasnaald uitlijnt met het magnetische veld van de aarde.

Toekomstige studies zullen zich richten op het uitlijnen van grotere, complexere moleculen in deze koude heliumdruppeltjes, waardoor wetenschappers chemische reacties in realtime kunnen bekijken. Stapelfeldt legde uit dat het misschien mogelijk is om moleculen zo groot als eiwitten op één lijn te brengen.

"Heliumdruppeltjes bieden unieke mogelijkheden, " hij zei, "voor het bouwen van op maat gemaakte moleculaire complexen, dus het verbreden van de reikwijdte van systemen die kunnen worden bestudeerd."