Geboorte van een molecuul

Chemische reacties duren slechts miljardsten van een seconde. De Egyptisch-Amerikaanse onderzoeker Ahmed Zewail ontwikkelde laserapparatuur waarmee hij die reacties kan volgen. Voor zijn werk ontving hij de Nobelprijs voor scheikunde.

HET LEEK lange tijd een vrome wens: een chemische reactie op de voet volgen. Want hoe vang je een gebeurtenis die niet langer duurt dan tientallen femtoseconden (0.000000000000001 seconde). Zo `lang' hebben chemische bindingen namelijk nodig om te verbreken en zich opnieuw te vormen. Toch lukte het Ahmed Zewail. Hij ontwikkelde technieken waarmee hij dergelijke reacties kon volgen. De naam van de Egyptisch-Amerikaanse onderzoeker, verbonden aan het California Institute of Technology, is inmiddels onverbrekelijk verbonden geraakt met het vakgebied dat hij bijna in zijn eentje heeft opengelegd: de femtochemie. Afgelopen dinsdag ontving hij de Nobelprijs voor scheikunde.

De femtochemie kon ontstaan omdat er steeds snellere lasers kwamen. Die zijn onontbeerlijk om moleculen in hun beweging te `bevriezen'. Het is als het fotograferen van snel bewegende voorwerpen. Dat gaat alleen maar goed als je een voldoende korte sluitertijd gebruikt. Voor reagerende moleculen geldt hetzelfde. Alleen met behulp van de ultrakorte lichtflitsen van de laser kunnen moleculen tijdens de reactie worden gevolgd. De opstelling in het laboratorium van Zewail wordt ook wel de snelste camera ter wereld genoemd. In die zin bouwt hij direct voort op het werk van twee eerdere Nobelprijswinnaars, George Porter en Ronald Norrish, die chemische reacties volgden met behulp van geavanceerde flitslampen. Met het werk van Zewail is zoals het Nobel-comité zelf zegt ``het einde van de weg bereikt'. Het molecuul kan vanaf de allereerste stappen van een chemische reactie worden gevolgd. Daarmee werd het voor het eerst mogelijk om theorieën over het verloop van reacties in de praktijk te toetsen.

Chemische reacties verlopen in het algemeen niet spontaan. Wanneer twee moleculen met elkaar botsen gebeurt er normaal gesproken niets. Een molecuul moet eerst geactiveerd worden, bijvoorbeeld door de temperatuur te verhogen. Het moet als het ware een barrière over. Deze wordt bepaald door de krachten die de atomen in een molecuul bij elkaar houden. Al bijna een eeuw geleden ontwikkelde de Zweed Arrhenius een methode om de hoogte van die barrière te meten. Later werd ook op grond van quantumtheoretische berekeningen een model opgesteld voor de manier waarop reagerende moleculen de barrière passeren. Het leek echter onmogelijk om dat ooit `live' waar te kunnen nemen. Dat het uiteindelijk toch lukte is te danken aan een idee dat Zewail al in de jaren zeventig kreeg. Hij realiseerde zich dat het met behulp van een laser mogelijk moest zijn om een serie moleculen op hetzelfde moment te laten beginnen met reageren. Dat maakt het doen van metingen eenvoudiger omdat gemeten kan worden aan miljoenen moleculen die allemaal ongeveer hetzelfde doen. Na verloop van tijd gaat hun onderlinge samenhang weliswaar verloren, maar dan is de reactie vaak al over. Voorwaarde is wel dat er vlak na het geven van het startschot wordt begonnen met het volgen van de reactie en dat moet dan gebeuren met voldoende korte lichtflitsen.

Het eenvoudigst kan de methode die Zewail ontwikkelde worden geïllustreerd aan een reactie waarbij slechts één soort moleculen betrokken is. Met behulp van een korte laserpuls worden die in een hogere energietoestand gebracht, waarmee tegelijkertijd de reactie in gang wordt gezet. Deze eerste zogeheten `pomppuls' wordt gevolgd door een serie van veel zwakkere `probepulsen'. De kleur daarvan kan zo worden gekozen dat óf het oorspronkelijke molecuul, óf juist de gevormde reactieproducten het licht absorberen. Daarmee geven ze als het ware een `vingerafdruk' van hun bestaan. Door de tijd tussen pomp en probepuls en de golflengte van allebei te variëren kan de reactie op de voet worden gevolgd. Een mooi voorbeeld is de ontbinding van natriumjodide. Na absorptie van de pomppuls wordt de binding tussen het natriumatoom en het jodiumatoom hevig in trilling gebracht. Uit de spectra kon Zewail opmaken dat wanneer de atomen dicht bij elkaar waren ze de gemeenschappelijke elektronen deelden, terwijl op grotere afstanden het jodiumatoom er met de elektronen vandoor ging. Bovendien kon hij laten zien dat de brokstukken – de afzonderlijke atomen – netjes synchroon met de trillende binding werden uitgestoten.

ingewikkelder reacties

Na deze `verkennende' experimenten pakten Zewail en zijn medewerkers steeds ingewikkelder reacties aan. Zo konden zij uitsluitsel geven waarom sommige chemische bindingen reactiever zijn dan andere, of wat er gebeurt wanneer er twee equivalente bindingen in hetzelfde molecuul aanwezig zijn: breken ze tegelijkertijd of toch na elkaar?

Zewail hield zich overwegend bezig met reacties in de gasfase, maar de door hem ontwikkelde technieken worden ook in vloeistoffen en vaste stoffen toegepast. In Nederland gebeurt dat onder andere in de groep van Douwe Wiersma aan de Rijksuniversiteit Groningen. Maar even goed kunnen reacties op oppervlakken – bijvoorbeeld de processen die zich afspelen in een autokatalysator – of in biologische systemen op de voet worden gevolgd. Een mooie illustratie van dat laatste zijn experimenten aan de moleculen die de fotosynthese verzorgen in planten en bacteriën of aan het eiwit dat er verantwoordelijk voor is dat we kunnen zien. Toen dat op een slimme manier werd blootgesteld aan femtoseconde-pulsen werd pas echt duidelijk wat er gebeurt wanneer er licht op het netvlies valt en waarom deze reactie zo enorm efficiënt is. De femtochemie heeft onze kijk op chemische reacties fundamenteel veranderd.