Helikopter eller vognhjul? Hvad sker der, når et molekyle kolliderer med en overflade

Hvad sker der, når et molekyle kolliderer med en overflade? Forskere ved Swansea University har vist, at molekylets orientering, når det bevæger sig - uanset om det drejer rundt som et helikopterblad eller ruller som et vognhjul - er vigtigt for at bestemme, hvad der sker ved kollisionen.

Interaktionen mellem molekyler og overflader er kernen i mange forskningsområder og anvendelser:plantegødning og kemikalier, industrielle katalysatorer, atmosfæriske kemiske reaktioner på is- og støvpartikler, og endda - i rummet - de processer, hvorigennem en stjerne fødes.

Et centralt spørgsmål inden for overfladevidenskab er at forstå, om et molekyle, når den kolliderer med en overflade, vil spredes tilbage til gasfasen, adsorberes på overfladen, eller reagere og bryde ned i fragmenter.

En molekylær egenskab, der kan ændre resultatet af en kollision, er molekylets rotationsorientering. Imidlertid, den nuværende forståelse af dette forhold er meget begrænset, da det normalt er umuligt at kontrollere eller måle orienteringen af ​​et roterende molekyle.

Det er her, Swansea -teamets forskning kommer ind. Teamet, ledet af professor Gil Alexandrowicz fra Swansea University kemi afdeling, har udviklet en ny type eksperiment, som satte dem i stand til at vurdere to ting:

1. hvordan molekylets rotationsorientering, lige før sammenstødet, ændrer sprednings sandsynligheder; og så
2. hvordan kollisionen igen ændrer orienteringen af ​​molekylerne, der skubbes tilbage i gasfasen.

Eksperimenterne udført af Yosef Alkoby, en ph.d. elev i gruppen, brugte magnetfelter til at styre de roterende kvantetilstande i brintmolekyler før og efter at de kolliderede med overfladen af ​​en saltkrystal.

En kvantemekanisk simulering, udviklet af Dr. Helen Chadwick, blev brugt til at ekstrahere spredningsmatrixen fra målingen. Dette er en detaljeret beskrivelse, der afslører præcis, hvordan rotationsorientering påvirker kollisionen, og hvordan kollisionen ændrer den måde, molekylerne roterer på.

Indtil nu, spredning af matricer kunne kun estimeres ud fra teoretiske beregninger. I deres nye papir, Swansea -teamet har for første gang demonstreret en eksperimentel bestemmelse af en spredningsmatrix, åbner nye muligheder for at studere og modellere molekyle-overflade-interaktioner.

Vigtigste fund var:

• Molekyl-overflade-interaktionspotentialet for hydrogen med lithiumfluorid afhænger stærkt af brintmolekylernes rotationsorientering.
• Spredningsmatricen opnået fra eksperimenterne bekræfter, at kollisioner af hydrogen med lithiumfluorid kan ændre molekylets rotationsorientering og giver de nødvendige oplysninger til brug af denne enkle saltoverflade til rotationsorienteret brintmolekyler.
• Spredningsmatricen opnået fra eksperimentet giver et ekstremt stringent benchmark, der vil guide udviklingen af ​​nøjagtige teoretiske modeller.

Professor Gil Alexandrowicz fra Swansea University College of Science, hovedforsker, sagde:

"Vores forskning rapporterer om en ny type molekyle-overflade-kollisionseksperiment. Vi undersøgte orienteringen af ​​et roterende jordtilstandsmolekyle, der nærmer sig en overflade, og hvordan dette ændrer kollisionsbegivenheden.

At kunne modellere resultatet af en molekyle-overfladekollision giver værdifuld indsigt for mange studieretninger. Men selv modellering af det enkleste molekyle, H ₂ , med en metaloverflade præcist stadig frembyder en betydelig udfordring.

For at udvikle nøjagtige modeller, det er afgørende at have resultater fra grundlæggende overfladevidenskabelige eksperimenter at benchmark teoretiske beskrivelser imod.

Vores resultater giver et nyt og særligt følsomt benchmark for teoriudvikling, som evnen til at beregne kollisionen og med succes gengive den eksperimentelt bestemte spredningsmatrix, kræver en særlig nøjagtig model for molekyle-overflade-interaktionen. "