Reagerende moleculen zichtbaar gemaakt met elektronenpulsen

Lang is het de droom van vele wetenschapers geweest om ooit eens atomen en moleculen echt te kunnen aanschouwen. In de afgelopen twintig jaar zijn reeds een groot aantal technieken ontwikkeld die dat ideaal steeds dichterbij hebben gebracht, culminerend in de uitvinding van de Scanning Tunneling Microscoop en daaraan verwante technieken. Voor het eerst kreeg men zicht op atomaire oppervlakken en konden atomen en moleculen zelfs gemanipuleerd worden.

Toch was dat voor velen niet genoeg. Want zou het niet mogelijk moeten zijn om moleculen in een chemische reactie met elkaar te zien reageren? Ook aan het bereiken van dat ideaal is al tijden hard gewerkt. Maar chemische reacties vinden plaats op een tijdschaal van picoeconden (miljoensten van miljoenste seconden) of zelfs nog korter, zodat voor het stap voor stap volgen van zo'n reactie ultrakorte laserpulsen nodig zijn. Daarmee kan de aanwezgheid en het gedrag van moleculen echter alleen maar indirect worden vastgesteld, dat wil zeggen door te kijken naar het licht dat ze uitstralen. Een van de grote pioniers op dit onderzoeksgebied is Ahmed Zewail van het California Institute of Technology in Pasadena. Door zijn onderzoekingen is de kennis over chemische reacties de laatste paar jaar enorm toegenomen.

Onlangs heeft hij opnieuw een dimensie aan het onderzoek weten toe te voegen. Het idee dat hij pas twee jaar geleden opperde is simpel: gebruik ultrakorte elektronenpulsen om van de bij een reactie betrokken moleculen het diffractiepatroon op te nemen. Dat geeft namelijk directe informatie over de afstanden tussen de atomen waardoor je ze dus veel directer zou kunnen waarnemen! Elektronen kunnen zelfs ten opzichte van moleculen, een zeer kleine golflengte hebben, ongeveer van de orde van 0.01 nanometer (dat is een factor 10-20 keer kleiner dan de gemiddelde afstand tussen twee atomen in een molecuul). Een elektronenbundel zal daarom door moleculen verstrooid (afgebogen) worden. Het resulterende diffractiepatroon geeft informatie over de afstanden tussen de atomen in het molecuul. Al sinds 1927, toen het effect voor de eerste keer werd waargenomen door Davisson en Germer is elektronendiffractie een uiterst waardevolle techniek gebleken bij de identificatie en structuuropheldering van moleculen.

Om echter de structuur van 'reagerende' moleculen te kunnen afbeelden, is het noodzakelijk om met elektronenpulsen te werken waarmee binnen een picoseconde een diffractiepatroon kan worden opgenomen van de tijdens een reactie veranderende moleculaire structuur. Dat levert enorme experimentele problemen op. De ruimtelijke uitgebreidheid van zo'n elektronenpuls is dusdanig klein dat de elektronen letterlijk op elkaars lip moeten zitten. En dat doen ze niet graag, omdat ze elkaar door hun lading afstoten. Het is dus vreselijk moeilijk om er in een klein gebiedje een groot aantal bij elkaar te krijgen. Voor een duidelijk diffractiepatroon zijn echter wel voldoende elektronen nodig...

Deze problemen konden worden opgelost door gebruik te maken van een zeer gevoelige detector en van korte laserpulsen die enerzijds de reactie aan de gang zetten en daarnaast, via het fotoelektrisch effect, voor een elektronenpuls zorgen. De reactie die bij wijze van test is bestudeerd is de dissociatie van CF3I in CF3 en I (atomair jodium) (Journal of Physical Chemistry, mrt '94).

In het uiteindelijke diffractogram kwamen de afstanden tussen de verschillende atomen er prachtig uit en kon het plaatsvinden van de reactie bovendien worden aangetoond aan de hand van een verandering in een van deze afstandspieken. Een volgende en heel voor de hand liggende stap is nu om het diffractogram tijdens de reactie op verschillende tijdstippen te gaan volgen. Dan zal men voor het eerst de moleculen in een chemische reactie echt met elkaar zien reageren.