De Egyptenaar Ahmed Zewail heeft de Nobelprijs voor de Scheikunde 1999 gekregen voor zijn onderzoek aan chemische reacties met lasertechnologie. Dankzij Zemail kijken scheikundigen in slow motion naar omzettingen van moleculen.


Ahmed H. Zewail (53) is hoogleraar aan het California Institute of Technology in Pasadena, VS, waar hij de Linus Pauling leerstoel bekleedt. Sinds 1976 is Zewail werkzaam aan Caltech, waar hij veel energie steekt in de ontwikkeling van ultrasnelle lasers voor de bestudering van de dynamica van chemische reacties. De toepassingen in dit vakgebied liggentevens op de raakvlakken met biologie en natuurkunde.

Ongeveer een eeuw geleden presenteerde de Zweedse chemicus Svante Arrhenius (Nobelprijs in 1903) een simpele vergelijking voor de chemische reactiesnelheid als functie van de temperatuur. Deze formule was alleen bruikbaar voor grote hoeveelheden moleculen en gold voor relatief lange waarnemingen. Pas in de jaren dertig volgde een nieuwe theorie, waarin individuele moleculen een hoofdrol spelen. De aanname was dat de reactie zeer snel de overgangstoestand overbrugde, op een tijdschaal die overeenkomt met moleculaire trillingen. Niemand durfde ervan tte dromen dat dergelijke experimenten op die korte tijdschaal ooit mogelijk zouden zijn.

Niettemin heeft Zewail dat voor elkaar gekregen. Eind jaren tachtig voerde hij een reeks experimenten uit die in feite de geboorte van het vakgebied femtochemie betekenen. Met moderne lasertechnologie fabriceerde Zewail een hogesnelheidscamera die tijdens een reactie ‘beelden’ maakt van de reagerende moleculen. Voor een enkele trilling hebben moleculen tien tot honderd femtoseconden nodig (er passen 1.000.000.000.000.000 femtoseconden in een seconde). Een belangrijk voordeel van de nieuwe techniek is dat chemici nu duidelijk de tussenproducten kunnen onderscheiden. Hoe preciezer de techniek, des te gedetailleerder de informatie over het chemische veranderingsproces. Alle chemische reacties verlopen binnen de tijdschaal van minimaal enkele tientallen femtoseconden.

Bij femtochemische experimenten belicht een chemicus een mengsel van moleculen met twee korte laserpulsen. De eerste laserpuls pompt energie in de moleculen, die daardoor in een aangeslagen toestand komen. Daarmee begint een reactie. De tweede puls heeft veel minder energie. De chemicus kiest de golflengte daarvan naar gelang hij wil kijken naar het uitgangsproduct of naar nieuw gevormde (tussen)verbindingen. Door het tijdsinterval tussen de twee pulsen te variëren, ontstaat een overzicht van voortgang van een reactie. De diverse aangeslagen moleculen trillen op karakteristieke wijzen, waarvan de frequenties een vingerafdruk vormen. Uit zo’n vingerafdruk leiden femtochemici de structuur van de verbindingen af. Het is mogelijk om reacties bij diverse temperaturen uit te voeren, zodat dieper inzicht in de klassieke formules van Arrhenius en andere chemici kan worden verkregen.
De eerste experimenten van Zewail betroffen de splitsing van joodcyanide in een jood- en een cyanide-ion, een reactie die binnen 200 femtoseconde plaatsvindt. Later konden ook ingewikkelder moleculen aan de femtospectroscopie worden onderworpen, zoals tetrafluordijoodethaan, dat splitst in tetrafluoretheen en twee joodatomen. Een andere reactie, die tussen benzeen en jodium, bleek volgens Zewails onderzoek ingewikkelder dan menigeen dacht.

Een veelbestudeerde modelreactie in de organische scheikunde is de opening van de ring van cyclobutaan, waarbij uiteindelijk twee etheenmoleculen ontstaan. Deze reactie kan ook omgekeerd verlopen. Verloopt deze reactie in een stap (links) of in twee stappen, waarbij eerst een binding breekt. Uit het onderzoek van Zewail en zijn medewerkers blijkt dat wel degelijk een tussenproduct ontstaat, dat gemiddeld zo’n 700 femtoseconde blijft bestaan.