Syremolekyler som neutraliserar varandra och deras vibrationers betydelse
När positivt och negativt laddade syremolekyler möts neutraliseras de oftast och faller isär till separata atomer. Genom att använda ultrakalla jonstrålar och avancerad bildteknik har forskarna visat att de flesta reaktionerna ger syreatomer i normalt tillstånd, medan en mindre del hamnar i exciterade tillstånd. Studien visar att även små vibrationer i molekylerna kan påverka hur reaktionen sker — en viktig insikt för att förstå fenomen som ljussprutande “sprites” i atmosfären och elektriska urladdningar i luft. Forskningen har uppmärksammats av Nature Communications, som har valt att lyfta artikeln på sin Editors’ Highlights-sida inom “Inorganic and Physical Chemistry”.
Dalitz-analysen ger ett sätt att visuellt se hur energin fördelas mellan atomer när en molekyl faller isär. I panel (i) visas hur Dalitz-koordinaterna, η₁ och η₂, hänger ihop med molekylens sönderfallsmönster, där de röda prickade linjerna markerar energin för varje atom. Panelerna (ii), (iii) och (iv) visar experimentella Dalitz-diagram för tre olika reaktionskanaler:(2) O(³P) + O(³P) + O(³P),(3) O(¹D) + O(³P) + O(³P), och(4) O(¹D) + O(¹D) + O(³P). De vita pilarna visar energin för varje syreatom, och de vita streckade linjerna framhäver viktiga strukturer i fördelningen. Diagrammen ger en tydlig bild av hur molekylen fragmenteras och hur energin fördelas mellan de resulterande atomerna.
I den här studien använde forskarna extremt kalla och noggrant kontrollerade jonstrålar av syre, vilket gjorde det möjligt att låta dem mötas under nästan perfekta förhållanden. Med avancerade bildtekniker kunde man följa vad som hände med reaktionsprodukterna i realtid. Man upptäckte att när syrejoner neutraliserar varandra bryts den resulterande syremolekylen oftast isär. De flesta atomerna som bildas hamnar i sitt normala energitillstånd, medan cirka 16 % bildas i exciterade tillstånd — och ingen når det högsta energitillståndet.
Genom att analysera hur atomerna rörde sig efter reaktionen fann forskarna att processen främst sker i två steg, via specifika exciterade “Rydberg”-tillstånd hos syremolekylen. De visade också att vilka produkter som bildas beror starkt på hur mycket molekylen vibrerade innan reaktionen — vilket visar att även små rörelser inom molekylen kan påverka utfallet av en grundläggande kemisk process.
Studien utfördes vid den svenska nationella infrastrukturen DESIREE vid Fysikum, Stockholms universitet, i samarbete med forskare vid Université Catholique de Louvain, Belgien, och Air Force Research Laboratory, USA.
Författare och deras institutioner:
Stockholms universitet, Fysikum, Stockholm, Sverige: Mathias Poline, Arnaud Dochain, Stefan Rosén, MingChao Ji, Henrik Cederquist, Henning Zettergren, Henning T. Schmidt, Mats Larsson & Richard D. Thomas
Université Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgien: Arnaud Dochain
Air Force Research Laboratory, Kirtland AFB, Albuquerque, New Mexico, USA: Shaun G. Ard, Nicholas S. Shuman & Albert A. Viggiano
Avdelningen för atomfysik bedriver experimentell forskning inom atomär kollisionsfysik som behandlar interaktioner mellan positivt och negativt laddade atomjoner, molekylära joner som fullerener, polycykliska aromatiska kolväten (PAH), biomolekyler och kluster.
