Chemische kameleon geeft camouflage prijs
5 maart 2010
Onderzoekers van het FOM-Rijnhuizen hebben samen met Duitse collega's een molecuul in kaart gebracht, waarin de atomen voortdurend van plaats wisselen. De chemische kameleon CH5+ staat model voor een hele klasse moleculen met een belangrijke rol in de koolwaterstofchemie. Metingen met de infrarood vrije-elektronenlaser FELIX en ingewikkelde kwantumsimulaties waren nodig om de structuur van CH5+ op te helderen. De onderzoekers publiceren hun ontdekking in het tijdschrift Nature Chemistry.
In de meeste moleculen hebben de atomen een vaste rangschikking en daardoor een duidelijke structuur. Een belangrijke uitzondering is CH5+, dat ontstaat door een extra waterstofatoom toe te voegen aan een methaanmolecuul. Zelfs bij heel lage temperatuur zijn de vijf waterstofatomen permanent in beweging. CH5+ verandert razendsnel van structuur, maar de dans van de protonen om het koolstofatoom zit zo in elkaar dat één structuur duidelijk domineert. Die werd al eerder door de onderzoekers gevonden: een driepoot van CH3 waar een H2-eenheid aan hangt. Het nieuwe onderzoek laat zien wat er gebeurt als de lichtere waterstofkernen (protonen) één voor één worden vervangen door zwaardere deuteriumkernen. Met de infrarood vrije-elektronenlaser FELIX werden infraroodspectra gemeten van elke tussenvorm: CH5+, CH4+D, CH3+D2, ..., CD5+. Zo'n infraroodspectrum geeft een kenmerkende vingerafdruk van de interne bewegingen van het onderzochte molecuul; vervangen van een waterstofkern door een deuteriumkern leverde telkens dramatische veranderingen.
Door theoretische en experimentele spectra te vergelijken ontdekten de wetenschappers de voorkeuren van de H- en D-atomen. In de drie-en-tweepoot van het molecuul zitten de zwaardere D-atomen vaker in de driepoot en kiezen de lichtere H-atomen bij voorkeur de H2-eenheid. Deze ontdekking is van fundamenteel belang voor andere onderzoekers, omdat CH5+ geldt als prototype voor een hele klasse van moleculen waarbij de atomen voortdurend van positie wisselen. De ontwikkelde technieken kunnen daardoor leiden tot meer begrip van deze beweeglijke moleculen.
In deze lage temperatuur ionenval worden de te onderzoekende ionen opgesloten. Daarna worden ze blootgesteld aan infraroodlicht van de vrije-elektronenlaser FELIX en tot reactie gebracht. Op de voorgrond is ter illustratie het infraroodspectrum van het CHD4+ molecuul te zien. Elk van de onderzochte varianten (met telkens één waterstof door deuterium vervangen) vertoont een duidelijk ander spectrum. Daaruit is de voorkeurspositie van waterstof en deuterium rond het koolstofatoom af te leiden.
bron: Universiteit Keulen
