Fysikere opdager nye regler for orbitaldannelse i kemiske reaktioner

Knirkende, uklare eller sfæriske - elektronorbitaler viser, hvor og hvordan elektroner bevæger sig rundt i atomkerner og molekyler. I moderne kemi og fysik har de vist sig at være en nyttig model til kvantemekanisk beskrivelse og forudsigelse af kemiske reaktioner. Kun hvis orbitalerne matcher i rum og energi, kan de kombineres - det er, hvad der sker, når to stoffer reagerer kemisk med hinanden. Derudover er der en anden betingelse, som skal være opfyldt, som forskere ved Forschungszentrum Jülich og universitetet i Graz nu har opdaget:Forløbet af kemiske reaktioner ser også ud til at være afhængigt af orbitalfordelingen i momentumrummet. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications .

Kemiske reaktioner er i sidste ende ikke andet end dannelse og nedbrydning af elektronbindinger, som også kan beskrives som orbitaler. Den såkaldte molekylære orbitalteori gør det således muligt at forudsige kemiske reaktioners vej. Kemikerne Kenichi Fukui og Roald Hoffmann modtog Nobelprisen i 1981 for i høj grad at forenkle metoden, hvilket førte til dens udbredte anvendelse og anvendelse.

"Normalt analyseres energien og placeringen af ​​elektroner. Men ved hjælp af fotoemissionstomografimetoden kiggede vi på bevægelsesfordelingen af ​​orbitalerne," forklarer Dr. Serguei Soubatch. Sammen med sine kolleger ved Peter Grünberg Instituttet (PGI-3) i Jülich og universitetet i Graz i Østrig adsorberede han forskellige typer molekyler på metaloverflader i en række eksperimenter og kortlagde det målte momentum i det såkaldte momentumrum .

"Fotomission fra mange forskellige molekyler på metaller, som vi måler, kan også forudsiges teoretisk. Som model bruger man blot det frie molekyle, der ikke interagerer med metallet. Men da vi målte oligophenyler på kobber, indså vi pludselig, at forsøgsresultatet afveg væsentligt fra de teoretiske forudsigelser. Visse dele af momentumrummet forblev ubesatte," sagde Soubatch. Disse momentumområder matcher kendte båndgab i elektroniske tilstande, som typisk forekommer i ædelmetaller. Og et af de involverede materialer, kobber, er også sådan et ædelt metal.

Til arbejdet udførte forskerne eksperimenter ved Elettra Synchrotron i Trieste, Italien. Der driver et internationalt konsortium ledet af Forschungszentrum Jülich NanoESCA-spektroskopet ved en strålelinje, som indeholder et fotoemissionselektronmikroskop til orbitaltomografiske målinger. Arbejdet er udført i samarbejde med prof. Michael. G. Ramsey og teoretikeren prof. Peter Puschnig fra universitetet i Graz. Med sine kvantemekaniske simuleringer for hele det interagerende system - molekyler og metaloverflade, gav Peter Puschnig nøglen til at forklare det nyopdagede selektionskriterium. + Udforsk yderligere

Test viser, at fotoemission orbital tomografi kan detektere sigma orbitaler