Kredit:CC0 Public Domain
Det er en underdrivelse at sige, at kemiske reaktioner finder sted overalt, konstant. Både i naturen og i laboratoriet, kemi er allestedsnærværende. Men på trods af fremskridt, det er fortsat en grundlæggende udfordring at opnå en fuldstændig forståelse og kontrol over alle aspekter af en kemisk reaktion, såsom temperatur og orienteringen af reagerende molekyler og atomer.
Dette kræver sofistikerede eksperimenter, hvor alle de variable, der definerer, hvordan to reaktanter nærmer sig, og i sidste ende reagere med, hinanden kan frit vælges. Ved at kontrollere ting som hastigheden og orienteringen af reaktanterne, kemikere kan studere de fineste detaljer i en bestemt reaktionsmekanisme.
I en ny undersøgelse, et team ledet af Andreas Osterwalder ved EPFL's Institute of Chemical Sciences and Engineering, arbejder med teoretikere fra University of Toronto, har bygget et apparat, der giver dem mulighed for at kontrollere orienteringen og energierne af reagerende atomer, ned til næsten det absolutte nul. "Det er den koldeste dannelse af en kemisk binding, der nogensinde er observeret i molekylære stråler, " siger Osterwalder. En molekylær stråle er en gasstråle inde i et vakuumkammer, hyppigt brugt i spektroskopi og studier i fundamental kemi.
Forskerne har brugt to sådanne stråler, der smelter sammen til en enkelt stråle til at studere kemi-ionisering, en grundlæggende energioverførselsproces, der bruges i flere applikationer, f.eks. i massespektrometri. Under kemi-ionisering, et atom eller molekyle i gasfasen reagerer med et andet atom eller molekyle i en ophidset tilstand og skaber en ion. Identiteten af den resulterende ion afhænger af reaktionen, en ny binding kan dannes under kollisionen, resulterer i en molekylær ion, eller også kan der dannes en atom-ion
Forskerne studerede reaktionen mellem to gasser:et exciteret neonatom og et argonatom. Deres apparat indeholder et par solenoide magneter, der bruges til præcis at indstille retningen af et magnetfelt, hvori reaktionen finder sted, hvilket gjorde det muligt for forskerne at kontrollere den faktiske orientering af de to atomer i forhold til hinanden. "Selvom atomer ofte er repræsenteret som små kugler, de er normalt ikke sfæriske objekter, " siger Osterwalder. "Netop fordi de ikke er det, de har specifikke orienteringer, og dette kan påvirke deres reaktionsevne."
Men selvom eksperimentet kunne kontrollere orienteringen, som igen styrede mængden af atomære vs molekylære ioner dannet fra kemi-ioniseringen, forskerne fandt, at under en temperatur på omkring 20 Kelvin (-253,15 °C), de interatomare kræfter tog over, og atomerne re-orienterede sig selv uanset det anvendte felt.
"Det er første gang nogen har gjort dette ved så lav en temperatur, " siger Osterwalder. "Med dette niveau af kontrol, vi kan studere nogle af de mest fundamentale modeller i kernen i kemi, såsom forholdet mellem orientering og reaktivitet."