Je leest:

Moleculen waggelen ultrasnel over katalysatoroppervlak

Moleculen waggelen ultrasnel over katalysatoroppervlak

Een team onderzoekers is er in geslaagd om de ultrasnelle beweging van moleculen over een oppervlak in ‘real-time’ te volgen. De beweging gaat veel sneller dan gedacht; bovendien blijken koolstofmonoxide-moleculen tijdens hun wandeling over een platina oppervlak te ‘waggelen’.

Een team van voornamelijk Leidse onderzoekers is er voor het eerst in geslaagd om de ultrasnelle beweging van moleculen over een oppervlak in ‘real-time’ te volgen. De beweging van die moleculen gaat veel sneller dan gedacht. Bovendien blijken koolstofmonoxide-moleculen tijdens hun wandeling over een platina oppervlak niet alleen evenwijdig aan het oppervlak te bewegen, maar daarbij een rotatiebeweging uit te voeren. De moleculen blijken te waggelen. De onderzoeksresultaten zijn 10 november in het tijdschrift Science gepubliceerd.

Reacties van moleculen op een oppervlak spelen een belangrijke rol in het dagelijkse leven. Bijvoorbeeld bij de afbraak van schadelijke stoffen, zoals in de uitlaatgas-katalysator van een auto. De meest elementaire stap in oppervlaktereacties is de diffusie van moleculen over een oppervlak. Diffusie is het transport van de ene soort van moleculen tussen de andere door, en is essentieel voor oppervlaktereacties.

Uitlaatgassen worden onschadelijk als moleculen elkaar vinden op het oppervlak van de katalysator. Beeld: www.infomil.nl

Heterdaad

Voordat de schadelijke gassen koolstofmonoxide (CO) en stikstofmonoxide (NO) op het oppervlak van een uitlaatkatalysator samen kunnen reageren tot onschadelijk stikstof (N2) en koolstofdioxide (CO2), moeten de twee moleculen elkaar eerst ontmoeten. Er zijn al uitgebreide studies gedaan naar het resultaat van de beweging van moleculen. Met hoge-resolutie microscopie is goed te zien dat moleculen van de ene plaats verdwijnen om op een andere plaats weer te verschijnen. Dat de beweging zelf nog nooit was onderzocht, was eenvoudig omdat moleculen zo snel bewegen dat ze moeilijk op heterdaad betrapt kunnen worden.

Waggelen

De onderzoekers Ellen Backus en Mischa Bonn (Leiden en ‘FOM-Instituut AMOLF), Aart Kleyn (FOM-Instituut voor Plasmafysica ’Rijnhuizen’ en Leiden) en Andreas Eichler (Wenen) zijn er voor het eerst in geslaagd om de ultrasnelle moleculaire beweging van koolstofmonoxide over een platina oppervlak in ‘real-time’ te volgen. Het CO-molecuul blijkt veel sneller te bewegen dan gedacht en bovendien laten de onderzoekers voor het eerst zien hoe het beweegt. In tegenstelling tot wat algemeen werd aangenomen blijkt het molecuul tijdens zijn wandeling over het oppervlak niet alleen rechtopstaand langs het oppervlak te bewegen, maar ook een rotatiebeweging uit te voeren: het molecuul waggelt.

Een gestapt platina oppervlak zoals dat in het onderzoek is gebruikt. Platina-atomen zijn grijs, koolmonoxide-moleculen groen © en rood (O). De CO-moleculen hechten zich bij voorkeur bij de stappen aan het oppervlak. Beschijnen met een korte laserpuls kan de diffusie naar de terrassen op gang brengen (zoals het CO-molecuul rechts beneden). Beeld: www.fom.nl Klik op het plaatje voor een grotere versie.

IJzeren gordijn

Het molecuul werd in beweging gebracht door met een ultrakorte laserpuls warmte toe te voegen. Een tweede laserpuls detecteerde de positie van het molecuul na een bepaalde tijd. Om een goed beeld van de verplaatsing te krijgen gebruikten de onderzoekers een speciaal oppervlak met een structuur op nanometerschaal (zie de figuur hierboven). Het bestaat uit atomair vlakke gebieden (zogenoemde terrassen) en treden (stappen genoemd) ter grootte van een enkel atoom. ‘Het CO-molecuul zit liever op de stap dan op het terras’, vertelt onderzoeker Aart Kleyn. ‘Als het verwarmd wordt, kan hij gaan wandelen. Het zou dan in principe naar beneden kunnen gaan. Maar dat kost heel veel energie; de andere kant op is makkelijker. Er is een soort ijzeren gordijn waar het niet doorheen kan. Dat molecuul ligt als een schip met een anker vast aan zijn plaats. Om verder te kunnen lopen, moet het als het ware een volgend anker uitwerpen en vervolgens zijn eerste anker lichten.’

Stroboscoop

Door de tijd tussen de twee laserpulsen te variëren, slaagden de onderzoekers erin ’flitsfoto’s’ te maken van het oppervlak op verschillende tijdstippen na het begin van de beweging. ‘Je kan het eigenlijk het beste vergelijken met een stroboscoop’, zegt Kleyn. ‘Je flitst een paar keer en kijkt waar hij dan terechtgekomen is. De stroboscoop flitst ongeveer even snel als de beweging van de moleculen. We konden al langer waarnemen waar het molecuul zit. We konden ook al waarnemen dat het van plaats verandert, maar de beweging van die verandering hadden we nog nooit eerder gezien. Voor mij is nog steeds het meest fascinerende, dat je die beweging kunt zien.’

Film

De onderzoekers plakten de plaatjes vervolgens achter elkaar, zodat er een film van het diffusieproces ontstond. Ze konden op deze manier de beweging van CO-moleculen van de stappen naar de terrassen tijdens de beweging volgen. De beweging blijkt te verlopen op een tijdschaal van minder dan een picoseconde (10-12 seconde ofwel een miljoenste van een miljoenste seconde). Dat is aanzienlijk sneller dan tot nu toe mogelijk werd geacht.

Stilstaande beelden uit een filmpje laten zien hoe het CO-molecuul over het platina oppervlak beweegt. De rotatie is duidelijk zichtbaar. Beeld: www.fom.nl Klik op het plaatje om het filmpje af te spelen.

Middelpunt

De beweging verloopt anders dan voorheen werd aangenomen, zoals op bovenstaande filmstrook is te zien. De twee atomen van het CO-molecuul voeren een gezamenlijke beweging uit rond het centrum van het onderliggende platina-atoom. Vervolgens wentelt het molecuul rond zijn eigen middelpunt, waarna het zijn beweging naar het naburige platina-atoom kan voltooien.

Tijdschaal

Het onderzoek leert dat de beweging van moleculen over een oppervlak direct gevolgd kan worden op de tijdschaal waarop die beweging plaatsvindt. Dat leidt tot een veel beter begrip over wat er met moleculen op oppervlakken gebeurt. Het opent nieuwe perspectieven voor het bestuderen van oppervlaktedynamica op oppervlakken. Dat is weer relevant voor katalyse, elektrochemie en biologie.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Universiteit Leiden.
© Universiteit Leiden, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 16 november 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.