In een complexe laseropstelling in een Amerikaans lab heeft de koudste chemische reactie ooit plaatsgevonden; miljoenen malen kouder dan in de interstellaire ruimte. In die kou reageerden twee moleculen tot twee andere moleculen. Voor het eerste konden de onderzoekers precies zien hoe die reactie verliep.
In een opstelling die eruit ziet als een warboel van lasers, zijn moleculen af te koelen tot een paar miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius). Twee bundels laserlicht houden de moleculen op hun plek. En de frequentie van ander laserlicht is zo afgestemd dat de moleculen worden afgeremd, waardoor ze afkoelen.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
‘Deze techniek is al bijna twintig jaar mogelijk voor het koelen van atomen’, mailt Ming-Guang Hu van de Amerikaanse Harvard-universiteit. ‘Sinds kort kunnen er ook moleculen extreem mee gekoeld worden.’
Nooit eerder waargenomen
Het experiment is uitgevoerd met kalium-rubidiummoleculen. Die bestaat uit één kaliumatoom en één rubidiumatoom. Twee van die moleculen kunnen met elkaar reageren tot een molecuul dat betstaat uit twee kaliumatomen (K2) en een molecuul dat bestaat uit twee rubidiumatomen (Rb2).
Hoe de atomen in de moleculen tijdens de reactie onderlinge verbindingen verbreken, herschikken en nieuwe verbindingen vormen, was nog nooit waargenomen. Zulke chemische reacties duren namelijk een miljoenste van een miljardste seconde. En er bestaan geen technieken die snel genoeg zijn om zoiets vast te leggen.
Daarom kozen de Amerikaanse onderzoekers een andere weg. Ze verlaagde de temperatuur waardoor de reactie miljoenen keren langzamer plaatsvond. Daardoor duurde de reactie microseconden. Dat is nog steeds razendsnel, maar traag genoeg om vast te leggen met meetapparatuur.
Zo konden de onderzoekers precies volgen wat er gebeurt als twee kalium-rubidiummoleculen met elkaar reageren. Ze zagen hoe de moleculen eerst een molecuul vormden van vier atomen groot (K2Rb2), waarna dat opsplitste in K2 en Rb2. De fase waarin het molecuul K2Rb2 bestaat, is bij hogere temperaturen zo kort dat ze niet eerder was waargenomen.
Chemische reactie controleren
Door mee te kijken tijdens deze snelle, maar belangrijke stap, willen de onderzoekers beter begrijpen hoe chemische reacties plaatsvinden. Er zijn modellen die beschrijven wat er tijdens de reactie gebeurt, maar tot nu was er geen manier om die te testen. ‘De Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus- of RRKM-theorie voorspelt bijvoorbeeld hoe snel verbindingen in moleculen breken en vormen’, zegt Hu. ‘We denken dat we deze theorie binnenkort kunnen testen met ons experiment.’
In de toekomst zijn met deze kennis mogelijk ook de reactiesnelheid en de eindproducten van chemische reacties te sturen. Zo kunnen chemici nieuwe materialen ontwikkelen en reacties zoals de productie van energiedrager waterstofgas efficiënter laten verlopen.