Forskare ser kemisk bindning födas

Ögonblicket då två atomer möts och skapar en bindning mellan sig har fångats. Forskare vid Stockholms universitet har lett ett internationellt samarbete där man med hjälp av röntgenlaser har gjort observationerna. Resultaten publiceras nu i Science Express.

Att se övergångstillståndet i en kemisk reaktion har länge ansetts omöjligt, men har nu blivit verklighet. Upptäckten kommer att öka förståelsen av hur kemiska reaktioner går till. Det kan i sin tur leda till bättre metoder för att skräddarsy reaktioner för alternativ energi, t ex genom återvinning av CO₂ och hur vi gör konstgödsel för framtidens matförsörjning.

– Det har varit min dröm i många år att kunna följa kemiska reaktioner på ytor i realtid. Det här är frukten av ett långvarigt systematiskt arbete där vi på Stockholms universitet byggt upp experiment med ultrakorta optiska laserpulser, säger Henrik Öström, universitetslektor i kemisk fysik vid Stockholms universitet.

Forskarna har studerat en av de viktiga reaktionerna i en bilavgaskatalysator, den där giftig kolmonoxid (CO) blir koldioxid (CO₂). I experimentet fick forskarna CO och syre att sätta sig på en yta av ruteniummetall och startade reaktionen med en ultrakort puls från en optisk laser som hettade upp ytan till långt över 1 000 ºC. Med denna upphettning börjar de adsorberade atomerna och molekylerna vibrera kraftigt och röra sig över metallytan, vilket ökar sannolikheten att de ska krocka med varandra och skapa en bindning. Forskarteamet kunde i realtid med hjälp av röntgenlasern följa hur elektronstrukturen förändrades då CO kolliderade med syreatomer och de två försökte binda till varandra.

Den traditionella bilden av övergångstillståndet är att molekylerna passerar igenom alldeles för snabbt för att observeras. Därför blev det en stor överraskning att en stor andel av dem faktiskt visade sig vara där oväntat länge, trots att bara en liten andel gick vidare till att verkligen bilda koldioxid. De flesta föll tillbaka till de ursprungliga CO plus syre. Teoretisk modellering av molekylernas rörelse och vilka förändringar som kan observeras i olika situationer spelade en viktig roll för tolkningen av experimenten.

– Det är lite som att rulla kulor uppför en backe där de flesta bara nästan når toppen och rullar tillbaka igen. Nära toppen saktar kulorna in och det är där de rör sig som långsammast. Det vi ser är många försök att reagera men bara ett fåtal lyckas gå hela vägen, säger Lars G.M. Pettersson, professor i teoretisk kemisk fysik vid Stockholms universitet.

Den unika röntgenlasern som har använts skapar högintensiva röntgenpulser med en våglängd som gör det möjligt att se atomer och molekyler och med en pulslängd som är kort nog att tidsupplösa deras rörelse. Därigenom har man kunnat fånga de olika stegen i kemiska reaktioner på ett sätt som tidigare inte har varit möjligt. Röntgenlaseranläggningen finns vid Stanford University, USA.

– Det här experimentet visar den stora betydelsen som röntgenlaseranläggningar öppnar upp för att i framtiden i detalj kunna studera hur katalysatorer verkligen fungerar. I slutänden kommer en djupare förståelse leda till mer effektiva katalysatorer som kan användas i kemiska energiomvandlingar, säger Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet och Stanford University.

I teamet ingick också forskare från LCLS, SUNCAT vid SLAC/Stanford, Helmholtz-Zentrum Berlin, University of Hamburg, Fritz-Haber Institute of the Max Planck Society, DESY och University of Liverpool. Finansiering från Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, DOE Office of Science, the Volkswagen Foundation och German Research Foundation (DFG).

Det nyligen publicerade arbetet av Henrik Öström et al. kan läsas här: http://doi.org/10.1126/science.1261747

Beskrivning av röntgenlasern LCLS: https://slacportal.slac.stanford.edu/sites/lcls_public/Pages/Default.aspx

En kort Youtube-presentation av projektet och resultaten: https://www.youtube.com/watch?v=cYUVeKDR6qE&feature=youtu.be

För ytterligare information

Henrik Öström, universitetslektor i kemisk fysik vid Stockholms universitet, tfn 08-55 37 86 41, e-post ostrom@fysik.su.se

Lars G. M. Pettersson, professor i teoretisk kemisk fysik vid Stockholms universitet, tfn 08-55 37 87 12, e-post lgm@fysik.su.se

Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet och Stanford University, tfn 08-55 37 86 37, e-post andersn@fysik.su.se