En molekyl föds

Hur går det till när en molekyl skapas? I en studie som publicerades i Science Express den 12 februari fångar vi med hjälp av en röntgenlaser ögonblicket då två atomer möts och skapar en ny bindning mellan dem på vägen till en ny molekyl.

Att se övergångstillståndet i en kemisk reaktion på en katalysatoryta är ett fundamentalt framsteg som länge ansetts omöjligt. Det kommer att starkt påverka förståelsen av hur kemiska reaktioner går till, vilket i sin tur kan leda till bättre metoder att skräddarsy reaktioner för alternativ energi, nya produkter och hur man gör konstgödsel för framtidens matförsörjning.

Övergångstillståndet är det tillstånd där den nya kemiska bindningen skapas och är själva kärnan i all kemi eftersom det kontrollerar den kemiska reaktiviteten. Eftersom så få molekyler befinner sig i övergångstillståndet vid varje tidpunkt har det varit omöjligt att studera det.

Genom att utveckla nya tekniker för att studera ultrasnabba processer i ytreaktioner har vi nu kunnat komma åt att studera det här tillståndet. De här experimenten är en del av ett långsiktigt arbete att systematiskt bygga upp information om detaljerna i katalytiska reaktioner på ytor där vi är tre forskargrupper med lite olika inriktning på Fysikum som samarbetar. För de här experimenten använde vi den unika röntgenlasern LCLS vid SLAC i Kalifornien som skapar högintensiva, röntgenpulser med en våglängd som gör det möjligt att se elektronstrukturen, som gör de kemiska bindningarna i atomer och molekyler. De är dessutom korta nog att tidsupplösa och fånga de olika stegen i kemiska reaktioner på ett sätt som tidigare inte varit möjligt. För att se förändringarna ville vi mäta röntgenabsorptionsspektra, som ger information om de oockuperade elektrontillstånden kring syret på ytan. Innan vi åkte till LCLS så la vi ner mycket tid på experiment med optiska lasrar i laboratoriet i Stockholm för att veta precis hur vi skulle kunna driva reaktionen både effektivt, så att vi kunde skapa tillräckligt mycket CO2 för varje laserpuls, och kontinuerligt eftersom vi behövde använda många laserpulser för att mäta varje spektrum. Dessutom gjorde vi kompletterande synktrotronljusexperiment vid SSRL i Kalifornien så att vi skulle veta exakt vilken röntgenabsorptionssignal vi skulle leta efter och beräknade dessutom både reaktionsvägen och spektra teoretiskt för att veta vad vi kunde förvänta oss att se och för att ha som stöd för tolkningen av experimentella data.

Schematisk bild som visar hur kraftiga vibrationer exciteras med en kort laserpuls. Rörelsen saktar ner kring reaktionens övergångstillstånd, som observeras med röntgenlasern innan koldioxid sedan snabbt lämnar ytan.
Schematisk bild som visar hur kraftiga vibrationer exciteras med en kort laserpuls. Rörelsen saktar ner kring reaktionens övergångstillstånd, som observeras med röntgenlasern innan koldioxid sedan snabbt lämnar ytan.

I det här experimentet studerade vi en av de viktiga reaktionerna i en bilavgaskatalysator, där giftig kolmonoxid (CO) blir relativt ofarlig koldioxid (CO2). CO och syreatomer fångas upp på katalysatorytan, kommer nära varandra och katalysatorn gör det sedan lättare för dem att reagera till CO2. I själva experimentet placerade vi CO och syre på en yta av ruteniummetall och startade reaktionen med en ultrakort puls från en optisk laser som hettade upp ytan till långt över 1000 ºC. Då 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. Vi kunde då i realtid med hjälp av röntgenlasern följa hur elektronstrukturen förändrades då CO kolliderade med syreatomer och de två försökte binda till varandra. De lättare syreatomerna aktiveras först och lite senare blir också kolmonoxiden aktiverad. Efter några hundra femtosekunder (miljondels miljarddels sekund) börjar de kollidera och bilda det intressanta övergångstillståndet som vi nu har kunnat observera.

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. Vi modellerade molekylernas rörelse och vilka förändringar som kan observeras i olika situationer med teori, vilket gav information som var viktig för tolkningen av experimenten. Att molekylerna befann sig längre än väntat i övergångstillståndet kan i efterskott förstås med en enkel jämförelse med 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 observerade var många försök att reagera där bara ett fåtal lyckas gå hela vägen. Nu har vi sett det viktiga övergångstillståndet, men det återstår mycket arbetet för att förstå i detalj vad det är vi ser och att fortsätta studera andra viktiga ytreaktioner.

Det här experimentet visar den stora betydelsen som kombinationen av konventionella lasrar och 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.

Studien är ett resultat av ett internationellt samarbete som letts av oss från Fysikum. De som deltog härifrån är Jörgen Gladh, Anders Nilsson, Jonas Sellberg, Lars G. M. Pettersson, Henrik Öberg och Henrik Öström. 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).

– Henrik Öström, Lars G. M. Pettersson och Anders Nilsson

Länk till artikeln: Probing the transition state region in catalytic CO oxidation on Ru

 

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *