Piepende, troebele of bolvormige elektronenorbitalen laten zien waar en hoe elektronen rond atoomkernen en moleculen bewegen. In de moderne scheikunde en natuurkunde hebben ze bewezen een bruikbaar model te zijn voor kwantummechanische beschrijving en voorspelling van chemische reacties. Alleen als de orbitalen qua ruimte en energie overeenkomen, kunnen ze worden gecombineerd - dit is wat er gebeurt als twee stoffen chemisch met elkaar reageren. Daarnaast is er nog een voorwaarde waaraan moet worden voldaan, zoals onderzoekers van Forschungszentrum Jülich en de Universiteit van Graz nu hebben ontdekt:Het verloop van chemische reacties blijkt ook afhankelijk te zijn van de orbitale verdeling in de impulsruimte. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Chemische reacties zijn uiteindelijk niets meer dan de vorming en afbraak van elektronenbindingen, ook wel orbitalen genoemd. De zogenaamde moleculaire orbitaaltheorie maakt het dus mogelijk om het pad van chemische reacties te voorspellen. Chemici Kenichi Fukui en Roald Hoffmann ontvingen in 1981 de Nobelprijs voor het sterk vereenvoudigen van de methode, wat leidde tot het wijdverbreide gebruik en de toepassing ervan.

"Meestal worden de energie en de locatie van elektronen geanalyseerd, maar met behulp van de foto-emissietomografiemethode hebben we gekeken naar de momentumverdeling van de orbitalen", legt Dr. Serguei Soubatch uit. Samen met zijn collega's van het Peter Grünberg Instituut (PGI-3) in Jülich en de Universiteit van Graz in Oostenrijk, adsorbeerde hij verschillende soorten moleculen op metalen oppervlakken in een reeks experimenten en bracht hij het gemeten momentum in de zogenaamde momentumruimte in kaart. .

"Foto-emissie van veel verschillende moleculen op metalen die we meten, kan ook theoretisch worden voorspeld. Als model gebruikt men gewoon het vrije molecuul dat geen interactie heeft met het metaal. Maar toen we oligofenylen op koper maten, realiseerden we ons plotseling dat het experimentele resultaat verschilde aanzienlijk van de theoretische voorspellingen. Bepaalde delen van de momentumruimte bleven onbezet, "zei Soubatch. Deze impulsgebieden komen overeen met bekende bandhiaten van elektronische toestanden die typisch voorkomen in edele metalen. En een van de betrokken materialen, koper, is ook zo'n edel metaal.

Voor het werk voerden de onderzoekers experimenten uit in de Elettra Synchrotron in Triëst, Italië. Daar bedient een internationaal consortium onder leiding van Forschungszentrum Jülich de NanoESCA-spectroscoop op een bundellijn, die een foto-emissie-elektronenmicroscoop bevat voor orbitale tomografische metingen. Het werk werd uitgevoerd in samenwerking met Prof. Michael. G. Ramsey en de theoreticus Prof. Peter Puschnig van de Universiteit van Graz. Met zijn kwantummechanische simulaties voor het hele interagerende systeem - moleculen en metalen oppervlak, leverde Peter Puschnig de sleutel tot het verklaren van het nieuw ontdekte selectiecriterium. + Verder verkennen

Tests tonen aan dat foto-emissie orbitale tomografie sigma-orbitalen kan detecteren