Een botsing tussen twee moleculen betekent chaos. Chaos in de berekeningen welteverstaan. Waar botsingen tussen atomen relatief goed te beschrijven zijn, grijpen theoretici naar hun hoofd als het om moleculen gaat. De structuur van moleculen is zoveel meer complexer en gevarieerder dat berekeningen over botsingen al snel in moeilijkheid exploderen. Computers ontberen de rekenkracht om ze te beschrijven, met als gevolg dat fysici nog altijd niet snappen wat bij een molecuulbotsing precies gebeurt.
Gecontroleerd botsen
En dat terwijl ze dat wel graag willen weten. Botsingen vertellen iets over de wisselwerking tussen moleculen en de uitwisseling van energie, bijvoorbeeld in onze atmosfeer, maar ook bij verbrandingsprocessen of in de ruimte. Botsingen hebben een essentiële rol in de chemische reacties die bij dit soort processen plaatsvinden. Het probleem bij botsings-experimenten was vooralsnog om vat op de moleculen te krijgen. Moleculen vibreren, draaien om hun as en bewegen in alle richtingen. Botsingen hiertussen geven een brei aan data, waar je weinig van leert.
Sinds een aantal jaar werken onderzoekers van het Fritz-Haber Instituut in Berlijn en de Radboud Universiteit Nijmegen aan een experiment dat moleculen kan controleren tijdens een botsing. Met het apparaat dat ze hebben ontwikkeld, een zogeheten molecuulvertrager, kunnen ze de richting waarin een molecuul beweegt alsook de snelheid waarmee een molecuul om zijn as draait precies naar hun smaak vastpinnen. De onderzoekers hebben zodoende volledige controle over de botsingsenergie.
Gaat nooit lukken
In 2006 haalde het team, onder leiding van de molecuulfysici Bas van de Meerakker en Gerard Meijer, het gezaghebbende tijdschrift Science door als eerste ter wereld gecontroleerd moleculen te laten botsen met atomen. Nu halen ze het blad opnieuw, met wederom een wereldprimeur, maar nu door echt moleculen op moleculen te laten botsen. Ze deden dat met de radicalen hydroxyl (OH) en stikstofmonoxide (NO). Radicalen zijn moleculen met een oneven aantal elektronen, wat ze bijzonder reactief maakt, en daarmee voor de theorie van botsingen interessant.
De onderzoekers focusten op de draaisnelheid van de moleculen om hun as. Deze kan alleen bepaalde vaste waarden hebben, zoals de quantummechanica voorschrijft. De draaiing van de OH-radicalen werd zodanig afgeremd, dat ze de laagst mogelijke draaisnelheid hadden. Na een botsing met een NO-radicaal, die plaats kon vinden door de twee soorten moleculen in dunne stralen op elkaar te richten, kon een OH-radicaal sneller gaan draaien. Het team wist met hoge precisie te bepalen hoe groot de kans hierop was en hoe hard het dan ging draaien, afhankelijk van de botsingsenergie.
Het is een experiment dat bijzonder moeilijk is om uit te voeren, laat Van de Meerakker weten. “Collega’s zeiden vooraf dat het typisch zo’n experiment is dat nooit gaat lukken.” Probleem is namelijk dat de moleculen zo sterk worden afgeremd dat een kans op botsing bijzonder klein wordt. “Slechts 1 op de 100.000 moleculen onderging een botsing”, zegt Van de Meerakker. “Het was echt zoeken naar een speld in de hooiberg.”
Model
Naast dit indrukwekkende experimentele werk gaven ze ook de theorie een zetje in de goede richting. Een model, ontwikkeld door de Nijmeegse theoretisch quantumchemicus Gerrit Groenenboom, bleek verrassend goed overeen te komen met de metingen. “Volgens het model wordt de mate van draaiing die gaat optreden al bepaald wanneer de moleculen nog ver van elkaar af zijn, ze voelen elkaar als het ware al een beetje”, zegt Van de Meerakker. “Dat zagen we ook in ons experiment. Weliswaar zijn de effecten op korte afstand veel sterker, maar dit soort ‘frontale botsingen’ tussen moleculen komen veel minder voor.”
Ook al ontbreekt een theorie voor moleculaire botsingen, met een model kom je al een heel eind. “Nu blijkt dat dit model goede aannames doet, kun je voor andere systemen voorspellingen doen”, denkt Van de Meerakker. Inmiddels werkt zijn team al aan de volgende stap: het meten van de richtingsverandering die moleculen bij een botsing ondergaan. Dit heeft nog veel meer invloed op de aannames van modellen.
Theoretici zullen reikhalzend uitkijken naar de data, volgens Van de Meerakker. "Het NO-radicaal komt voor in de atmosfeer en speelt een rol in de vorming van smog. Het OH-radicaal staat bekend als ‘het schoonmaakmiddel’ van de atmosfeer omdat het reageert met bijvoorbeeld het broeikasgas methaan. Betrouwbare gegevens over botsingen zijn dus heel belangrijk voor atmosferisch chemici. Ook astrofysici hebben grote belangstelling voor botsingen tussen moleculen: ze spelen een belangrijke rol bij de vorming van sterren.”
Bron:
Kirste, M. e.a., Quantum-State Resolved Bimolecular Collisions of Velocity-Controlled OH with NO Radicals, Science (23 november 2012)
Zie ook:
- In het lab: botsingen onder in het Huygens (Vox Magazine)
- Voorbestemde moleculen (Wetenschap24)