Varme vibrerende gasser under elektronens spotlight

Naturgas bruges i raffinaderier som grundlag for produkter som acetylen. Effektiviteten af ​​gasreaktioner afhænger af molekylernes dynamik - deres rotation, vibration og translation (retningsbevægelse). Disse bevægelser giver kinetisk energi til at drive reaktioner. Ved at forstå gasdynamikken, forskere kan designe mere effektive og miljøvenlige industrisystemer.

Gasmolekyler kan studeres ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi (TEM). I modsætning til optisk mikroskopi, TEM bruger en elektronstråle i stedet for lys, og har en meget højere opløsning, i stand til at visualisere enkeltatomer. En nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskabelige rapporter rapporterer arbejdet i et team ved University of Tokyos Institute of Industrial Science (IIS), der samarbejder med Hitachi High-Technologies Corp. Forskerne brugte en avanceret version af TEM til at studere dynamikken i simple gasser ved høj temperatur.

"I TEM, den energiske elektronstråle kan bruges til at udføre et andet eksperiment på samme tid, kendt som energitab nærkantstruktur [ELNES], "siger første forfatter Hirotaka Katsukura." Elektronerne i strålen opgiver en del af deres kinetiske energi, når de passerer gennem prøven. Måling af dette energitab afslører, hvilke elementer der er til stede, og hvordan de er bundet til hinanden. "

I teorien, ELNES kan også måle dynamikken i gasmolekyler, ikke kun deres kemiske binding. Imidlertid, forskere havde aldrig hentet dynamisk information fra ELNES før. IIS -teamet valgte fire gasser - ilt, metan, nitrogen og kulilte - hvis binding er godt forstået, og udførte ELNES ved stuetemperatur og 1, 000 ° C. Vigtigt, de udførte også computersimuleringer af disse gasser, ved hjælp af molekylær dynamik kode, for teoretisk at forudsige virkningerne af høj temperatur.

Generelt, når molekyler opvarmes, de vibrerer hurtigere og bindingerne mellem deres atomer bliver længere. I IIS -eksperimenterne to gasser - ilt og metan - gjorde, Ja, vise dynamiske ændringer ved høj temperatur, med betydeligt hurtigere vibrationer. Imidlertid, nitrogen og kulilte syntes ikke at vibrere anderledes ved 1000 ° C, trods deres ekstra kinetiske energi. I øvrigt, den simulerede højtemperaturvibration af metan matchede eksperimenterne meget tæt, men vibrationen af ​​varmt ilt blev overvurderet.

"Gasmolekyler i en varmelegeme kan få kinetisk energi på tre måder, "siger den tilsvarende forfatter Teruyasu Mizoguchi." Nemlig, ved at hoppe ind i hinanden, ved direkte berøring af varmeelementet, eller ved indirekte at absorbere varme gennem infrarøde stråler. Denne sidste er kun mulig for gasser med polære kemiske bindinger, hvor det ene element trækker elektroner væk fra det andet. Det gælder for metan (CH4), men ikke ilt, et rent element. Derfor, ilt opvarmet langsommere end simuleringerne forudsagde. "

I mellemtiden, nitrogen og carbonmonoxids manglende evne til at gennemgå vibrationel excitation var også et resultat af deres bindinger - dog I dette tilfælde, de var simpelthen for stive til at vibrere meget hurtigere. Disse fund understreger vigtigheden af ​​at tage højde for kemisk binding, selv for tilsyneladende enkle processer som vibrationen af ​​et to-atom molekyle.

Ikke desto mindre, teamet mener, at den hurtige udvikling inden for ELNES snart vil gøre metoden følsom nok til at detektere vibrationsændringer, selv i stive molekyler. Dette vil åbne vejen mod en forbedret forståelse af gasreaktioner på atomniveau.