Onderzoek naar niet-covalente intermoleculaire interacties in een nieuw gebied

24 juni 2020

Rovibrationale inelastische verstrooiing van moleculen wordt nu al vele jaren bestudeerd. In zgn. state-to-state experimenten worden de reactanten in een pure kwantumtoestand bereid voordat de botsing plaats vindt en wordt de verdeling van de verstrooide fragmenten over alle energetisch toegankelijke toestanden gedetecteerd, evenals de richting waarin ze uit elkaar gaan. In een recente publicatie in Nature Chemistry heeft een onderzoeksteam binnen het Institute for Molecules and Materials (IMM) van de Radboud Universiteit met verschillende laboratoria in de VS samengewerkt om ‘onderzoek te doen naar niet-covalente intermoleculaire interacties in een nog niet eerder onderzocht gebied'.

De meeste studies gebruikten tot nu toe reactanten in de vibrationele grondtoestand (v=0), wat de elektronenstructuur en quantumdynamische verstrooiingsberekeningen die met de metingen worden vergeleken, aanmerkelijk vereenvoudigt. Het doel was om botsingen tussen sterk vibratie geëxciteerde NO-moleculen en atomen bij verschillende botsingsenergieën te bestuderen. "We wilden het effect van de vibratietoestand van het NO-molecuul op fenomenen als botsingsresonanties en diffractie-oscillaties bestuderen", licht Matthieu Besemer, promovendus in de Theoretische Chemie en de Spectroscopy of Cold Molecules groep, toe. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemistry met de titel “State-to-state scattering of highly vibrationally excited NO at broadly tunable energies”.

Sterk vibrerende moleculen

In de experimentele en theoretische studie van rotatie-inelastische botsingen tussen NO-moleculen en argonatomen, verkennen de experimenten een nieuw gebied, door gestimuleerde emissie te combineren met een bijna co-propagerende moleculaire bundelgeometrie die botsingsenergieën onder 1 Kelvin toelaat. Met deze experimentele opstelling kan het NO-molecuul in een willekeurige rovibrationele toestand worden bereid. Doordat het NO-molecuul in een hoge (v = 10) vibratietoestand wordt gebracht, worden de theoretische berekeningen erg uitdagend omdat de huidige kennis van moleculaire interacties meestal beperkt is tot de vibrationele grondtoestand.

Theoretische berekeningen

De theoretische resultaten komen alleen overeen met de metingen als de verstrooiingensberekeningen nadrukkelijk rekening houden met de  vibratietoestad van het NO molecuul. “Dit onderzoek vergt het maximale van wat momenteel mogelijk is van de onderliggende berekeningen. We verwachten dat verder onderzoek op dit gebied nodig is en dat de huidige computationele methoden moeten worden uitgebreid. Dit zal ons tegelijkertijd meer leren over de interacties tussen moleculen die vibrationeel geëxciteerd zijn”, zegt Besemer. “Uiteindelijk zal deze unieke experimentele techniek ook gebruikt kunnen worden om andere systemen te bestuderen”, concludeert Besemer.

Figuur van een botsing tussen een sterk vibrerend NO-molecuul en een argonatoom bij een lage botsingshoek, waardoor het NO-molecuul gaat roteren

De Spectroscopy of Cold Molecules groep bestudeert moleculaire botsingsprocessen bij lage energieën en de Theoretische Chemie groep berekent en voorspelt eigenschappen van moleculen, moleculaire clusters en vaste stoffen. Beide groepen maken deel uit van IMM en werken al vele jaren samen, wat geresulteerd heeft in talrijke gezamenlijke publicaties.

Artikel

State-to-state scattering of highly vibrationally excited NO at broadly tunable energies
Chandika Amarasinghe, Hongwei Li, Chatura A. Perera, Matthieu Besemer, Junxiang Zuo, Changjian Xie, Ad van der Avoird, Gerrit C. Groenenboom, Hua Guo, Jacek Kłos & Arthur G. Suits
Nature Chemistry volume 12, pages 528–534 (2020)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41557-020-0466-8

Tekst: IMM, Radboud Universiteit
Figuur: IMM, Radboud Universiteit

Bron: NWO