Ultrasnel wandelen over een oppervlak

Reacties van moleculen op een oppervlak spelen een belangrijke rol in ons dagelijks leven: vrijwel alle producten zijn bij hun totstandkoming in aanraking gekomen met een reactief oppervlak. Ook bij de afbraak van schadelijke stoffen spelen oppervlakken een onmisbare rol, zoals in de katalysator van de auto. De meest elementaire stap in oppervlaktereacties is de diffusie van moleculen over een oppervlak. Voordat bijvoorbeeld het schadelijke koolstofmonoxide (CO) en stikstofmonoxide (NO) op het oppervlak van de uitlaatkatalysator kunnen reageren tot onschadelijk stikstof (N 2 ) en koolstofdioxide (CO 2 ), moeten deze twee moleculen elkaar eerst ontmoeten. Vanwege het belang van moleculaire oppervlaktebeweging zijn er uitgebreide studies gedaan naar het resultaat van de beweging - moleculen die van de ene plaats verdwijnen om op een andere plaats te verschijnen. Dat is met hoge-resolutie microscopie goed te zien. De beweging zelf was echter nog nooit onderzocht, eenvoudigweg omdat moleculen zó snel bewegen dat ze niet op heterdaad betrapt kunnen worden. Onderzoekers * ) Ellen Backus, Andreas Eichler, Aart Kleyn en Mischa Bonn zijn er voor het eerst in geslaagd om de ultrasnelle moleculaire beweging van koolstofmonoxide over een platina oppervlak 'real-time' te volgen. Dit molecuul blijkt veel sneller te bewegen dan gedacht en bovendien laten de onderzoekers voor het eerst zien hóe het beweegt. In tegenstelling tot wat algemeen werd aangenomen blijkt het molecuul tijdens zijn wandeling over het oppervlak niet alleen parallel aan het oppervlak te bewegen, maar ook een rotatiebeweging uit te voeren: het molecuul waggelt.

De moleculen worden in beweging gebracht met een ultrakorte laserpuls. Een tweede laserpuls detecteert de positie van de moleculen na een bepaalde tijd. Om een goed beeld van hun verplaatsing te krijgen gebruiken de onderzoekers een speciaal oppervlak met een structuur op nanometerschaal (zie figuur 1). Het bestaat uit terrassen (atomair vlakke gebieden) en stappen (tredes) ter grootte van een enkel atoom. Koolstofmonoxide-moleculen binden sterker aan de stappen dan aan de terrassen. Dit verschil maakt het mogelijk onderscheid te maken tussen CO-moleculen op de stappen en de terrassen en dus ook de beweging van een molecuul van de stap naar terras, en weer terug, te kunnen volgen.

Door de tijd tussen de twee laserpulsen te variëren, kunnen de onderzoekers 'flitsfoto's' maken van het oppervlak op verschillende tijdstippen nadat de beweging op gang kwam. Wanneer de onderzoekers deze plaatjes vervolgens achter elkaar plakken ontstaat een film van het diffusieproces.