Koolmonoxide waggelt razendsnel over platinaoppervlak

Wanneer moleculen koolmonoxide zich over een oppervlak bewegen, schuiven ze niet alleen van de ene plaats naar de andere maar kantelen ze ook voortdurend. Dat doen ze bovendien razendsnel, in minder dan een picoseconde (een miljoenste van een miljoenste seconde). Scheikundigen van de universiteit Leiden zijn er in geslaagd deze bewegingen te volgen. Hun bevindingen zijn van belang voor een beter begrip van het gedrag van kleine moleculen op het oppervlak van een katalysator, zoals die in de uitlaat van de auto (Science Express, 10 november).

Bij het verloop van veel processen in de chemische industrie spelen speciaal geprepareerde oppervlakken (katalysatoren) een belangrijke rol. Katalysatoren versnellen een chemische reactie doordat ze de moleculen die met elkaar moeten reageren in precies de juiste toestand bij elkaar brengen. In de katalysator van een auto worden schadelijke gassen als koolmonoxide en stikstofmonoxide op deze manier omgezet. Voordat ze echter kunnen reageren (tot stikstof en kooldioxide) zullen ze bij elkaar in de buurt moeten komen. Hoe ze precies bewegen, en ook hoe snel ze bewegen, was tot nu toe echter onbekend. Met geavanceerde microscopische technieken was het alleen mogelijk om een molecuul dat op de ene plek uit het zicht verdwijnt ergens anders weer te zien opduiken.

Om de bewegingen van moleculen op een oppervlak te kunnen bestuderen, gingen Ellen Backus en haar collega's uit van een platinaoppervlak dat bestaat uit vlakke stukken (terrassen) met onderlinge hoogteverschillen (stappen) van telkens één atoom. Koolmonoxidemoleculen zitten óf midden op zo'n terras óf tegen een stap aan, hetgeen blijkt uit een subtiel verschil in frequentie waarmee de moleculen trillen. Dit kleine verschil maakt het mogelijk om onderscheid te maken tussen moleculen op verschillende plaatsen en ook hun bewegingen – van een terras naar een stap en weer terug – te volgen.

De onderzoekers brachten de moleculen met een ultrakorte laserflits in beweging, en legden met een tweede laserflits hun toestand spectroscopisch op elk moment vast. Door de tijd tussen de laserflitsen te variëren, konden ze als het ware een filmpje maken van de bewegingen van het molecuul. Die beweging was niet alleen onverwacht snel, maar ook veel ingewikkelder dan gedacht: de moleculen schuiven niet, maar waggelen. Dat kon prachtig beschreven worden aan de hand van een theoretisch model.