Wat gebeurt er als een molecuul botst met een oppervlak? Onderzoekers van de Universiteit van Swansea hebben aangetoond dat de oriëntatie van het molecuul terwijl het beweegt - of het nu draait als een helikopterblad of rolt als een radslagwiel - belangrijk is om te bepalen wat er bij de botsing gebeurt.

De interactie van moleculen met oppervlakken vormt de kern van veel onderzoeksgebieden en toepassingen:plantenmeststoffen en chemicaliën, industriële katalysatoren, atmosferische chemische reacties op ijs en stofdeeltjes, en zelfs - in de ruimte - de processen waardoor een ster wordt geboren.

Een belangrijke vraag op het gebied van oppervlaktewetenschap is begrijpen of een molecuul, wanneer het botst met een oppervlak, zal terug verstrooien naar de gasfase, adsorberen op het oppervlak, of reageren en uiteenvallen in fragmenten.

Een moleculaire eigenschap die de uitkomst van een botsing kan veranderen, is de rotatie-oriëntatie van het molecuul. Echter, het huidige begrip van deze relatie is zeer beperkt, omdat het meestal onmogelijk is om de oriëntatie van een roterend molecuul te controleren of te meten.

Dit is waar het onderzoek van het Swansea-team om de hoek komt kijken. onder leiding van professor Gil Alexandrowicz van de scheikundeafdeling van de Universiteit van Swansea, heeft een nieuw type experiment ontwikkeld waarmee ze twee dingen konden beoordelen:

1. hoe de rotatie-oriëntatie van het molecuul, vlak voor de aanrijding, verandert de verstrooiingskansen; en dan
2. hoe de botsing op zijn beurt de oriëntatie verandert van de moleculen die terug in de gasfase worden uitgestoten.

De experimenten uitgevoerd door Josef Alkoby, een doctoraat leerling in de groep, gebruikte magnetische velden om de roterende kwantumtoestanden van waterstofmoleculen te regelen voor en na de botsing met het oppervlak van een zoutkristal.

Een kwantummechanische simulatie, ontwikkeld door Dr. Helen Chadwick, werd gebruikt om de verstrooiingsmatrix uit de meting te extraheren. Dit is een gedetailleerde beschrijving die precies laat zien hoe de rotatieoriëntatie de botsing beïnvloedt en hoe de botsing de manier waarop de moleculen roteren verandert.

Tot nu, verstrooiingsmatrices konden alleen worden geschat op basis van theoretische berekeningen. In hun nieuwe krant het team van Swansea heeft voor het eerst een experimentele bepaling van een verstrooiingsmatrix aangetoond, het openen van nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen en modelleren van molecuul-oppervlakte-interacties.

Belangrijkste bevindingen waren:

• Het molecuul-oppervlak interactiepotentieel van waterstof met lithiumfluoride hangt sterk af van de rotatie-oriëntatie van de waterstofmoleculen.
• De uit de experimenten verkregen verstrooiingsmatrix bevestigt dat botsingen van waterstof met lithiumfluoride de rotatie-oriëntatie van het molecuul kunnen veranderen en levert de informatie die nodig is om dit eenvoudige zoutoppervlak te gebruiken om waterstofmoleculen roterend te oriënteren.
• De verstrooiingsmatrix die uit het experiment is verkregen, biedt een extreem strenge benchmark die de ontwikkeling van nauwkeurige theoretische modellen zal leiden.

Professor Gil Alexandrowicz van Swansea University College of Science, hoofd onderzoeker, zei:

"Ons onderzoek rapporteert een nieuw type botsingsexperiment tussen moleculen en oppervlakken. We onderzochten de oriëntatie van een roterend grondtoestandmolecuul dat een oppervlak nadert en hoe dit de botsingsgebeurtenis verandert.

Het kunnen modelleren van de uitkomst van een molecuul-oppervlaktebotsing levert waardevolle inzichten op voor veel vakgebieden. Maar zelfs bij het modelleren van het eenvoudigste molecuul, H ₂ , met een metalen oppervlak nauwkeurig nog steeds een grote uitdaging.

Om nauwkeurige modellen te ontwikkelen, het is cruciaal om resultaten te hebben van fundamentele oppervlaktewetenschappelijke experimenten om theoretische beschrijvingen aan te toetsen.

Onze resultaten bieden een nieuwe en bijzonder gevoelige maatstaf voor theorieontwikkeling, als het vermogen om de botsing te berekenen en de experimenteel bepaalde verstrooiingsmatrix met succes te reproduceren, vereist een bijzonder nauwkeurig model voor de molecuul-oppervlakte-interactie. "