Moleculaire interacties vormen de basis van biologische en chemische processen in de natuur. Elektrische lading en polariteit van moleculen zijn fundamentele eigenschappen die deze interacties beïnvloeden. Met botsingsexperimenten kunnen wetenschappers informatie verzamelen over hoe atomen en moleculen op elkaar reageren, wanneer ze botsen en welke krachten er ontstaan bij verschillende omstandigheden, zoals bij diverse temperaturen.
Grenzen verleggen van botsingsexperimenten
In een experiment hebben de natuurkundigen onderzocht hoe moleculen zich gedragen wanneer ze met elkaar botsen. Ze hebben botsingen bestudeerd tussen dipolaire moleculen, waarbij de positieve en negatieve lading niet gelijkmatig is verdeeld, en ontdekt hoe deze botsingen veranderen bij hoge tot zeer lage temperaturen. Tot nu toe was het lastig om twee moleculen in een botsingsexperiment in een gecontroleerde situatie te bestuderen. Maar nu is het onderzoeksteam erin geslaagd om botsingen tussen twee verschillende moleculen te meten en te controleren. Hierdoor konden ze de botsingseigenschappen onderzoeken over een enorm bereik aan temperaturen; van boven kamertemperatuur tot zo’n 0.1 graad boven het absolute nulpunt. “Dit is experimenteel een grote doorbraak omdat tot nu toe slechts één van de botsende moleculen gecontroleerd kon worden”, aldus Bas van de Meerakker, hoogleraar Spectroscopie van koude moleculen aan het Instituut voor Moleculen en Materialen (IMM) van de Radboud Universiteit.
Interactie zonder extern elektrisch veld
Bij hogere energieën botsen de moleculen als biljartballen, terwijl bij lagere energieën er ‘U-bochten’ ontstaan door hun interactie. Bij heel lage temperaturen werden sterke effecten van de dipolaire interactie waargenomen. Tot nu toe werd aangenomen dat deze interacties alleen plaatsvinden in een extern elektrisch veld. In het experiment botsten de moleculen zonder dit externe veld. In het experiment bleek dat de moleculen elkaar tijdens de botsing kunnen polariseren, waardoor hun dipoolmoment ‘geactiveerd’ wordt. Het zelfpolarisatie-effect verdwijnt weer, afhankelijk van de botsingsenergie. "Door de combinatie van experiment en theorie hebben we nu een duidelijk beeld van de mechanismen die deze U-bochtbanen en de onderlinge polarisatie van dipolen teweegbrengen”, aldus theoretisch fysicus en lid van het onderzoeksteam Tijs Karman.
De resultaten van de studie bieden nieuwe inzichten in de interacties tussen moleculen en opent wegen naar innovatieve mogelijkheden om dit soort botsingen te controleren met behulp van externe elektrische velden. Deze kennis helpt bij het beter begrijpen hoe moleculaire interacties werken en kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe technologieën die gebruik maken van kwantumfysica. “We kunnen nu botsingen van moleculen bestuderen in de klassieke wereld bij hoge temperaturen en ook bij lage temperaturen in de wereld van kwantummechanica.”
Lees meer op de website van het IMM