Vaak afgebeeld als kleurrijke ballonnen of wolken, elektronenorbitalen geven informatie over de verblijfplaats van elektronen in moleculen, een beetje zoals vage snapshots. Om de uitwisseling van elektronen in chemische reacties te begrijpen, het is niet alleen belangrijk om hun ruimtelijke verdeling te kennen, maar ook hun beweging in de tijd. Wetenschappers uit Julich, Marburg, en Graz hebben nu enorme vooruitgang geboekt in deze richting:ze hebben met succes orbitale beelden opgenomen met een extreem hoge temporele resolutie.

"Al decenia, chemie wordt beheerst door twee ambities, " zegt professor Stefan Tautz, hoofd van het Quantum Nanoscience-subinstituut in Forschungszentrum Jülich. "Een daarvan is het begrijpen van chemische reacties rechtstreeks vanuit de ruimtelijke verdeling van elektronen in moleculen, terwijl de andere de elektronendynamica in de loop van de tijd volgt tijdens een chemische reactie." Beide doelen zijn bereikt in afzonderlijke baanbrekende ontdekkingen in de chemie:grensverleggende moleculaire orbitaaltheorie verklaarde de rol van de elektronenverdeling in moleculen tijdens chemische reacties, terwijl femtoseconde spectroscopie het mogelijk maakte om overgangstoestanden in reacties waar te nemen. "Het is al lang een droom van de fysische chemie om deze twee ontwikkelingen te combineren en vervolgens elektronen te traceren in een chemische reactie in tijd en ruimte."

De wetenschappers zijn nu een grote stap dichter bij het bereiken van dit doel gekomen:ze observeerden elektronenoverdrachtsprocessen op een metaal-molecuul-interface in ruimte en tijd. Dergelijke interfaces zijn de focus van onderzoek in het Collaborative Research Center 1083 van de Duitse Onderzoeksstichting aan de Philipps-Universität Marburg, en het waren experimenten die hier werden uitgevoerd die leidden tot de publicatie van vandaag. "Interfaces lijken aanvankelijk niet meer dan twee lagen naast elkaar, terwijl ze juist de plek zijn waar de functies van materialen ontstaan. Ze spelen daarom een ​​beslissende rol in technologische toepassingen, " zegt Ulrich Höfer, hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Philipps-Universität Marburg en woordvoerder van het onderzoekscentrum. In organische zonnecellen, bijvoorbeeld, het combineren van verschillende materialen op een interface verbetert de splitsing van de toestanden die worden opgewekt door invallend licht, waardoor elektriciteit kan stromen. Interfaces spelen ook een sleutelrol in OLED-schermen (Organic Light Emitting Diode) die worden gebruikt in smartphones, bijvoorbeeld.

De experimentele aanpak van de wetenschappers is gebaseerd op een doorbraak die enkele jaren geleden werd gemaakt in de moleculaire spectroscopie:foto-emissie orbitale tomografie, die zelf is gebaseerd op het bekende foto-elektrische effect. "Hier, een laag moleculen op een metalen oppervlak wordt gebombardeerd met fotonen, of lichtdeeltjes, die de elektronen opwindt en ervoor zorgt dat ze vrijkomen, " zegt professor Peter Puschnig van de Universiteit van Graz. "Deze vrijgekomen elektronen vliegen niet zomaar rond in de ruimte, maar - en dit is het beslissende punt - op basis van hun hoekverdeling en energieverdeling, ze geven een goede indicatie van de ruimtelijke verdeling van elektronen in moleculaire orbitalen."

"Het belangrijkste resultaat van ons werk is dat we de orbitale tomogrammen in de loop van de tijd met ultrahoge resolutie kunnen afbeelden, " zegt dr. Robert Wallauer, groepsleider en onderzoeksassistent bij Philipps-Universität Marburg. Om dit te doen, de wetenschappers gebruikten niet alleen speciale lasers met ultrakorte pulsen in het femtoseconde bereik om de elektronen in de moleculen te exciteren; ze gebruikten ook een nieuwe impulsmicroscoop die tegelijkertijd de richting en energie van de vrijgekomen elektronen met een zeer hoge gevoeligheid meet. Een femtoseconde is 10 ^-15 seconden - een miljoenste van een miljardste van een seconde. Met betrekking tot een tweede, dit is slechts een seconde in verhouding tot 32 miljoen jaar. Dergelijke korte pulsen zijn als een soort stroboscooplicht en kunnen worden gebruikt om snelle processen op te splitsen in afzonderlijke beelden. Hierdoor konden de onderzoekers de elektronenoverdracht als in slow motion volgen. "Hierdoor konden we de elektronenexcitatieroutes bijna in realtime ruimtelijk volgen, ", zegt Tautz. "In ons experiment, een elektron werd eerst geëxciteerd vanuit zijn oorspronkelijke toestand in een onbezette moleculaire orbitaal door een eerste laserpuls voordat een tweede laserpuls het uiteindelijk in staat stelde de detector te bereiken. Niet alleen konden we dit proces in de loop van de tijd in detail observeren, maar met de tomogrammen konden we ook duidelijk traceren waar de elektronen vandaan kwamen."

"Wij zijn van mening dat onze bevindingen een cruciale doorbraak vertegenwoordigen in de richting van het doel om elektronen te traceren via chemische reacties in ruimte en tijd, ", zegt Ulrich Höfer. "Naast de fundamentele inzichten in chemische reacties en elektronenoverdrachtsprocessen, deze bevindingen zullen ook zeer praktische implicaties hebben. Ze openen talloze mogelijkheden voor de optimalisatie van interfaces en nanostructuren en de resulterende processors, sensoren, toont, organische zonnecellen, katalysatoren, en mogelijk zelfs toepassingen en technologieën waar we nog niet eens aan hebben gedacht."

De studie is gepubliceerd in Wetenschap .