At finde kilden til kemiske reaktioner

Forskere søger konstant efter kilden til ting som universets oprindelse, materie eller liv. Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, i et samarbejde med Massachusetts Institute of Technology (MIT) og flere andre universiteter, har demonstreret en måde at eksperimentelt opdage det mest skjulte aspekt af alle kemiske reaktioner - den ekstremt kortvarige overgangstilstand, der opstår ved deres initiering. Denne afgørende opdagelse kan blive medvirkende til at opnå evnen til at forudsige og eksternt kontrollere resultaterne af kemiske processer.

"Overgangstilstanden er nøglen i al kemi, fordi den styrer produkterne af molekylære reaktioner, " sagde Kirill Prozument, hovedforfatter og kemiker i Argonnes Chemical Sciences and Engineering division. Bevæbnet med mere fuldstændig viden om visse kemiske reaktioner startende fra overgangstilstanden, Forskere kan muligvis forbedre industrielle processer, der involverer produktion af enorme mængder af et kemikalie – hvilket sparer enorme mængder energi og penge, samt at reducere spild. Det samme princip kan også finde anvendelse i syntesen af ​​nye, livreddende stoffer.

Livet i denne overgangsfase er kort, så kort som kvadrilliontedele af et sekund. Problemet har været, at det ikke har været muligt eksperimentelt at observere strukturen af ​​denne flygtige stat eller endda at udtrække tilstrækkelige detaljer om den indirekte fra de kemiske produkter, der er skabt af den, indtil nu.

"Fysikere kan ikke direkte observere Big Bang, som skete for næsten 14 milliarder år siden, eller overgangstilstanden, der førte til dannelsen af ​​vores univers, " forklarede Prozument. "Men de kan måle forskellige budbringere tilbage fra Big Bang, såsom den nuværende fordeling af stof, og derved afsløre mange ting om oprindelsen og udviklingen af ​​vores univers. Et lignende princip gælder for kemikere, der studerer reaktioner."

Centralt for denne præstation er holdets eksperimentelle teknik, chirped-puls millimeter-bølge spektroskopi, som tillader karakterisering af flere konkurrerende overgangstilstande på basis af de vibrationelt exciterede molekyler, der resulterer i det umiddelbare efterspil af en reaktion. Denne teknik er uovertruffen i sin præcision til at bestemme molekylær struktur og løse overgange, der stammer fra forskellige vibrationsenerginiveauer i produktmolekylerne.

Mange hænder bidrog til forfining af denne eksperimentelle teknik for at udvide dens omfang fra mikrobølge- til millimeterområdet, herunder Prozument og Robert Field, Robert T. Haslam og Bradley Dewey professor i kemi ved MIT og seniorforfatter på undersøgelsen.

Med denne kraftfulde teknik, holdet analyserede reaktionen mellem vinylcyanid og ultraviolet lys produceret af en speciel laser, som danner forskellige produkter, der indeholder brint, kulstof og nitrogen. De var i stand til at måle vibrationsenergierne forbundet med de nydannede produktmolekyler og fraktionerne af molekyler i forskellige vibrationsniveauer. Førstnævnte angiver amplituderne af hvilke atomer i et molekyle bevæger sig i forhold til hinanden. Sidstnævnte giver information om geometrien af ​​grupper af atomer i overgangstilstanden, når de føder et produktmolekyle - i dette tilfælde, omfanget af bøjningsexcitation i bindingsvinklen mellem brinten, kulstof- og nitrogenatomer. Baseret på deres mål, holdet identificerede to overgangstilstande, der styrer forskellige veje, hvorved molekylet hydrogencyanid (HCN) kommer til live fra reaktionen.

"Vores arbejde viser, at den eksperimentelle teknik fungerer i princippet, " siger Prozument. "Det næste skridt vil være at anvende det på mere komplekse reaktioner og forskellige molekyler." Teamets arbejde kan således en dag få stor indflydelse på kemiområdet.

Artiklen med titlen "Photodissociation transition states characterised by chirped pulse millimeter wave spectroscopy" udkom i januar 7, 2020 udgave af Proceedings of the National Academy of Sciences .