Elektronenwolken verschuiven bij chemische reactie

Een nieuwe lasertechniek maakt het scheikundigen mogelijk om het verschuiven van de bindingen tussen atomen tijdens een chemische reactie direct in beeld te brengen. Onderzoekers van de Canadese National Research Council in Ottawa bestookten stikstofmoleculen, opgebouwd uit twee stikstofatomen, met intense laserpulsen van slechts enkele femtoseconden (een miljoenste van een miljardste seconde) en bepaalden zo de elektronenverdeling rond de atomen. Door een groot aantal van deze plaatjes te combineren, wisten David Villeneuve en zijn collega's de elektronenwolken in het molecuul ruimtelijk af te beelden (Nature, 16 dec).

Op zich is het wonderlijk dat het mogelijk is om met zichtbaar laserlicht zoiets kleins als het inwendige van een molecuul in beeld te brengen. De golflengte van licht een paar honderd nanometer is immers meer dan een factor duizend groter dan de afmetingen van een stikstofmolecuul. Daarom deed Villeneuve het anders. Hij maakte gebruik van het elektrisch veld van het laserlicht. Licht is een elektromagnetische trilling en oefent daardoor afwisselend een afstotende en aantrekkende kracht uit op lading die zich in de buurt bevindt. De laserpulsen zijn zo intens dat ze in staat zijn een elektron uit het molecuul weg te schieten om het direct daarna weer terug te trekken. Het elektron verkrijgt daarbij zoveel energie dat er intense röntgenstraling wordt opgewekt, die met een tiende nanometer wél een voldoende korte golflengte heeft om een molecuul in beeld te brengen.

Uit het spectrum van de röntgenstraling vlak na de inslag van de laserpuls konden Villeneuve en zijn collega's een soort schaduwplaatje berekenen van de elektronenwolken rond de stikstofatomen, die verantwoordelijk zijn voor de binding tussen de atomen. En een hele serie van dit soort plaatjes onder verschillende hoeken – precies zoals dat bijvoorbeeld gebeurt bij röntgentomografie – leverde zelfs een driedimensionale afbeelding. Dat op zich is al een fenomenale prestatie. De techniek kan in deze vorm echter ook worden toegepast om de verschuivingen van elektronenwolken tijdens een chemische reactie in beeld te brengen. Dichter kunnen scheikundigen atomen niet op de huid zitten.