Röntgenlaser avslöjar kemisk reaktion

– Att identifiera och karakterisera kortlivade mellantillstånd i kemiska reaktioner på metallytor har länge varit en dröm, säger Henrik Öström vid Fysikum, Stockholms universitet, som ingår i det internationella forskarteam som utfört studien. Med den nya fri-elektronröntgenlasern på SLAC har vi nu visat att drömmen blivit verklighet och kunnat identifiera ett kortlivat mellantillstånd när CO molekylers bindning till en metallyta bryts eller skapas.

SLAC National Accelerator Laboratory var länge ett flaggskepp vad gäller partikelfysik där elektroner accelererades till nära ljushastigheten i en tre kilometer lång linjär accelerator. Nu har acceleratorn byggts om till att istället generera kraftiga, ultrakorta (10-100 femtosekunder) pulser av röntgenstrålar med våglängd som gör det möjligt att undersöka omgivningen till enskilda atomer i en molekyl. Pulserna är tillräckligt korta för att ge en ögonblicksbild av elektronfördelningen kring atomen. Genom att variera fördröjningen mellan att man startar en reaktion och när man undersöker elektronfördelningen med röntgenpulsen kan man skapa en tidsupplöst bild av förändringarna under reaktionens gång.

– En första utmaning var om den oerhört kraftiga röntgenpulsen skulle förstöra provet, förklarar Anders Nilsson, professor i synkrotronljusfysik vid SLAC och adjungerad professor vid Stockholms universitet. Det visade sig dock fullt möjligt att justera experimentet så att mätningarna kunde genomföras.

I experimentet doserades CO molekyler in på en metallyta av rutenium som bland annat används i bilavgaskatalysatorer. CO binder starkt till ytan men kan fås att lossna genom att ytan hettas upp vilket gjordes med en puls från en optisk laser. Genom att starta reaktionen samtidigt för alla molekylerna fick teamet tillräckligt många molekyler samtidigt att gå in i ett tillstånd där de nästan lossnat från ytan men fortfarande binder svagt till den. Från detta kortlivade tillstånd kan sedan molekylerna antingen gå vidare ut i gasfas eller åter binda till ytan när den kallnar igen.

– Det har länge spekulerats kring om ett sådant tillstånd, så kallat ”precursor”, existerar - det nya experimentet är det första som direkt visar dess existens, berättar Lars G. M. Pettersson vid Fysikum, Stockholms universitet. Nu fortsätter studierna med mer komplicerade reaktioner av intresse bland annat för syntetiska bränslen.

Förutom forskarna vid Stockholms universitet deltog forskare från Stanford University, SLAC, Hamburgs universitet, Danmarks tekniska universitet, Helmholtz-Zentrum Berlin och Fritz-Haber-Institut Berlin.

Länk till artikel i Science: Real-Time Observation of Surface Bond Breaking with an X-ray Laser

För ytterligare information
Henrik Öström vid Fysikum, Stockholms universitet, tfn: 08 5537 8641  mobil: 073 035 9150 e-mail: ostrom@fysik.su.se

Lars G.M. Pettersson vid Fysikum, Stockholms universitet, tfn: 08 5537 8712 mobil: 070 495 1990 e-mail: lgm@fysik.su.se

Anders Nilsson vid SLAC och Stockholms universitet, tfn: +1 650 926 2233 e-mail: nilsson@slac.stanford.edu