Chemische kameleon geeft camouflage prijs
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen hebben samen met Duitse collega's een molecuul in kaart gebracht, waarin de atomen voortdurend van plaats wisselen. De chemische kameleon CH5
+ staat model voor een hele klasse moleculen met een belangrijke rol in de koolwaterstofchemie. Metingen met de infrarood vrije-elektronenlaser FELIX van FOM-Rijnhuizen en ingewikkelde quantumsimulaties waren nodig om de structuur van CH5
+ op te helderen. De onderzoekers publiceren hun ontdekking in het toonaangevende tijdschrift Nature Chemistry.
In de meeste moleculen hebben de atomen een vaste rangschikking en daardoor een duidelijke structuur. Een belangrijke uitzondering is CH5 +, dat ontstaat door een extra waterstofatoom toe te voegen aan een methaanmolecuul. Zelfs bij heel lage temperatuur zijn de vijf waterstofatomen (H) van CH5 + permanent in beweging en tollen rond het koolstofatoom (C). Een team van experimentele en theoretische wetenschappers uit Nederland en Duitsland is erin geslaagd die bewegingen van de waterstofatomen te traceren. Ze onderzochten wat de chemische kameleon doet als de lichtere waterstofkernen (protonen) één op één worden vervangen door de zwaardere deuteriumkernen. Dat bleek niet te verklaren met standaardmodellen; het team moest geavanceerde quantumberekeningen toepassen om hun metingen te verklaren.
Voorkeursposities in het molecuul
CH5 + verandert razendsnel van structuur, maar de dans van de protonen om het koolstofatoom zit zo in elkaar dat één structuur duidelijk domineert. Die werd al eerder door de onderzoekers gevonden: een driepoot van CH3 waar een H2-eenheid aan hangt. Ze toonden toen ook aan dat de waterstofatomen onderling razendsnel van positie wisselen (Science 309, 1219-1222 (2005)). Die ontdekking riep meteen nieuwe vragen op: Wat gebeurt er als een waterstofatoom (H) door zijn zwaardere broer deuterium (D) vervangen wordt? Zit het deuterium evenveel op elke plaats in het molecuul, of is er een voorkeurspositie?
Infrarood spectroscopie
Om de dans van CH5 + zichtbaar te maken, is het infraroodlicht van de vrije-elektronenlaser FELIX van FOM-Rijnhuizen gebruikt. Die is voor dit soort onderzoek bijzonder geschikt vanwege het grote afstembereik (over een groot golflengtegebied kan elke gewenste kleur worden ingesteld) en de hoge intensiteit van de opgewekte straling. Door het waterstof in het CH5 + molecuul één voor één te vervangen door deuterium, ontstaat een reeks varianten: CH5 +, CH4 +D, CH3 +D2, ..., CD5 +. Elke vorm werd met duizenden tegelijk in een geavanceerde ionenval opgesloten en tot lage temperaturen afgekoeld, waarna met FELIX infraroodspectra zijn opgenomen. Elk infraroodspectrum geeft een kenmerkende vingerafdruk van de interne bewegingen van het onderzochte molecuul.
Kwantumberekeningen helderen atoombeweging op
De experimentele spectra laten dramatische veranderingen zien als gevolg van de substitutie van H door D die niet met standaardmodellen te verklaren zijn. Dat was alleen mogelijk met geavanceerde computersimulaties, die rekening houden met de quantumeigenschappen van de waterstofatomen. Door theoretische en experimentele spectra te vergelijken ontdekten de wetenschappers de voorkeuren van de H- en D-atomen. In de drie-en-tweepoot van het molecuul zitten de zwaardere D-atomen vaker in de driepoot en kiezen de lichtere H-atomen bij voorkeur de H2-eenheid. Deze ontdekking is van fundamenteel belang voor andere onderzoekers, omdat CH5 + geldt als prototype voor een hele klasse van moleculen waarbij de atomen voortdurend van positie wisselen. De ontwikkelde technieken kunnen daardoor leiden tot meer begrip van deze beweeglijke moleculen.
Contact
Dr. Britta Redlich
FELIX Facility manager, FOM-Instituut Rijnhuizen
B.Redlich@rijnhuizen.nl | 030 - 609 69 99
Drs. Gieljan de Vries
Hoofd publiekscommunicatie, FOM-Instituut Rijnhuizen
g.devries@rijnhuizen.nl | 030 - 609 69 02
Artikel
Quantum-induced symmetry breaking explains infrared spectra of CH5 + isotopologues
Nature Chemistry, 28 February 2010, doi:10.1038/nchem.574
http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.574.html
Onderzoeksteam
Sergei D. Ivanov (Ruhr-Universität Bochum), Oskar Asvany (Universität zu Köln), Alexander Witt (Ruhr-Universität Bochum), Eduouard Hugo (Universität zu Köln), Gerald Mathias (Ruhr-Universität Bochum), Britta Redlich (FELIX, Rijnhuizen), Dominik Marx (Ruhr-Universität Bochum), en Stefan Schlemmer (Universität zu Köln).