forståelse og kontrol af kemiske reaktioner - Viden (JP)

viden.jp.dk

forståelse og kontrol af kemiske reaktioner - Viden (JP)

Femtosekundkemi:

Forståelse og kontrol af kemiske reaktioner

Kemi og lasere

Ultra korte lyspulser fra

avancerede lasere har

revolutioneret kemiens

verden. Vi får her et indblik

i den nye teknik,

som kaldes femtosekundkemi

i daglig

tale.

Søren Keiding,

Henrik Stapelfeldt og

Niels Engholm Henriksen.

Den officielle begrundelse

for grundforskning

er ønsket om at

opnå en dybere indsigt i nogle

af de fundamentale processer,

der danner grundlaget for vor

eksistens. Det er ikke altid, vi

samtidigt vedkender os, at

grundforskning også næres af et

stærkt ønske om at kunne kontrollere

disse processer.

Når vi studerer sygdomme,

er det med henblik på at kunne

kontrollere (eller behandle)

dem, og når vi studerer, hvordan

elektroner opfører sig i

halvledere, er det også ud fra

ønsket om at kunne kontrollere

(fremstille) nye, hurtigere og

bedre computerchips. Det

samme gør sig gældende inden

for kemisk forskning, hvor der i

løbet af de seneste 10 år er sket

en revolutionerende udvikling i

både forståelsen af kemiske

reaktioner, og ikke mindst vores

muligheder for at kunne kontrollere

disse ved hjælp af laserstråler.

Kemi - en empirisk videnskab

I den verden, der omgiver os,

og som vi er en meget aktiv del

af, sker omdannelsen af stof

gennem kemiske reaktioner. Fra

fødsel til død er kemiske processer

således grundlaget for vor

eksistens. Siden opdagelsen af

grundstofferne og det periodiske

system, har vi vidst, at kemiske

reaktioner består i at

bryde og danne kemiske bindinger

mellem de forskellige

grundstoffer. Den kemiske

„lim“, der laver bindinger, er

elektronerne i grundstofferne.

Desværre er disse processer meget

komplekse og vanskelige at

beskrive, så kemi er derfor stadigvæk

i høj grad en empirisk

videnskab.

Når en god kemiker skal

fremstille nye molekyler, må

hun i høj grad bruge sin erfaring

ogkemiske intuition“.

Dette er i modsætning til for

eksempel en fysiker, der i langt

højere grad kan gøre brug af

fysiske love i beskrivelsen af

simple og idealiserede modelsystemer.

Målet for vor forskning,

der ligger i grænselandet

mellem fysik og kemi, er at

kunne udvikle modeller baseret

på fysikkens love, der er så præcise,

at de tillader os i langt

højere grad at kunne forudsige

og kontrollere kemiske reaktioner.

Lad os betragte et traditionelt

reaktionsskema for en simpel

kemisk reaktion, for eksem-

12 Aktuel Naturvidenskab 2/1999

Foto: Jørgen Dahlgaard


pel reaktionen mellem ilt og

brint: 2H 2 + O 2 → 2H 2O.

Denne velkendte reaktion,

knaldgas, er et godt eksempel

på den moderne kemis paradoks.

Vi kender udgangsstofferne

(reaktanterne) ilt og brint

særdeles godt. Vi kender endnu

bedre produktet (vand), og vi

har også stor erfaring i reaktionens

udfald; det siger Bang!

når vi tilfører lidt energi for at

starte reaktionen. Men på trods

af al den viden har vi et meget

begrænset kendskab til, hvordan

reaktionen forløber; vi kender

reaktanter og produkter, men

ved kun meget lidt om, hvad

der gemmer sig bag reaktionspilen!

Femtosekundkemi

Ideelt set ville vi gerne kunne

optage en film af reaktionen og

direkte følge, hvordan elektronerne,

der skaber bindingerne,

bevæger sig, og hvordan

atomkernerne derefter bevæger

sig som et resultat af de nydannede

kemiske bindinger.

Ved stuetemperatur bevæger et

atom sig med en hastighed på

omtrent 1 km/s. En typisk størrelse

for et molekyle er nogle få

Ångström, så et kamera skal

være i stand til at optage billeder

med en tidsopløsning på ca.:

Å

1 km/s

1 13

10

10 m

3

10 m/s

10

100fs

Forkortelsen fs betyder

femtosekund og svarer til 10 -15 s

eller en „milliontedel af en milliardtedel“

sekund. Denne ekstraordinære

tidsopløsning er nu

om dage teknisk mulig pga.

opdagelsen af femtosekundlaseren

i midten af 1980’erne.

Disse lasere udsender korte

lysglimt med en varighed på

under 10 fs og kan bruges til at

tage billeder af de forandringer,

der sker under en kemisk reaktion.

Er man optaget af væddemål,

vil en Nobelpris inden for

dette felt i de nærmeste år nok

være et rigtig godt tip!

Nedbrydningen af ozon

Som illustration kan vi se på

nedbrydningen af ozon (O 3 ).

Ozon nedbrydes af både de

menneskeskabte CFC-gasser og

af solens ultraviolette lys. I la-

s

A B C

IR-puls

Aktuel Naturvidenskab 2/1999 13

Selektiv brydning af en kemisk binding

Selektiv brydning af en kemisk binding

vha. femto-sekundlasere. Figuren viser et

tre-atomigt molekyle, A-B-C. Desuden er

der vist to potentialflader („kraftfelter“) for

atomkernerne. De to nederste flader svarer

til en stabil elektronisk grundtilstand

(se nr. 1 og nr. 2), mens den anden flade

illustrerer en anslået tilstand, hvor molekylet

er ustabilt (nr. 3)

1) Den stabile udgangsposition

for molekylet

A-B-C. Potentialfladen

(„kraftfeltet“) for atomkernerne

er vist iform af

et net.

boratoriet studeres nedbrydningen

af ozon ved først at spalte

(dissociere) ozon med en kort

ultraviolet femtosekund laserpuls.

I det øjeblik lyset er absorberet,

begynder dissociationen

af O 3 . Sender vi derefter med

en kort forsinkelse en anden

lyspuls ind på de dissocierende

O 3 molekyler, kan vi følge forløbet

af reaktionen. Denne teknik

kaldes for pumpe-probe

spektroskopi; en puls (pumpe) til

at starte reaktionen og en efterfølgende

puls (probe) til at

følge de reagerende molekyler.

Med en sekvens af probepulser

med gradvis længere forsinkelse

i forhold til pumpepulsen, får

vi således en film, der viser

reaktionens forløb.

På Aarhus Universitet har vi

brugt femtosekundlasere til at

studere den fotokemiske ned-

Overgang fra 1 til 2:

Der tilføres energi vha.

en laserpuls i det infrarøde

bølgeområde.

A B C

A B C

brydning af klordioxid (ClO 2).

I den øvre atmosfære spiller

ClO 2 en central rolle i de processer,

der fører til nedbrydningen

af ozonlaget; ClO 2 spaltes

ved hjælp af lys fra solen og der

kan dannes både Cl+O 2 og

ClO+O ved nedbrydningen.

Dannelsen af klor (Cl) er

“skidt” for ozonlaget, mens

dannelsen af ilt-atomer (O) er

“godt” for ozonlaget.

Vi har studeret ClO 2 opløst i

vand, dels for at efterligne de

processer, der forløber på overfladen

af vanddråber i atmosfæren,

men også for nærmere at

kunne undersøge forskellen

mellem reaktionens forløb i

gasfase og i vandfase. Reaktionsforløbet

er på en gang meget

forskelligt og meget ens;

ClO 2 nedbrydes på samme

måde i både gas- og væskefase,

A B

UV-puls

3) Der er nu tilført energi, sådan

at netop den rigtige binding

er brudt. Man har fået

det ønskede resultat:

A-B + C.

2) Der er nu tilført energi, sådan at bindingerne

er begyndt at vibrere. Molekylet A-B-C er nu

ustabilt. De røde funktioner viser de kvantemekaniske

sandsynlighedsfordelinger for de

interatomare afstande til 3 forskellige tider.

Tilfører man endnu mere energi vil man

ende op med en blanding af A + B-C og

A-B + C.

C

A

B

men i væskefase kan produkterne

ikke slippe væk fra hinanden,

idet de omgivende vandmolekyler

laver et lille molekylært

bur, som holder nogle af

molekylerne indespærret. Iltatomer

kan ikke slippe ud, så

ClO+O produkterne forbliver

tæt på hinanden og efter et

stykke tid gendannes ClO 2.

Klor-atomer kan derimod godt

slippe ud, og en del af ClO 2

molekylerne nedbrydes til

Cl+O 2. Udover vigtige kvantitative

informationer om en

central atmosfærekemisk reaktion,

bidrager femtosekundmålingerne

også til at øge vores

forståelse af samspillet mellem

reagerende molekyler og de

omgivende væske molekyler.

Udviklingen af denne form

for „femtokemi“ sker i et tæt

samarbejde mellem teori og

+

C

Overgang fra 2 til 3:

Der tilføres energi vha.

en meget kort laserpuls i

det ultra-violette bølgeområde.

Affyringen af

pulsen skal ske på det

helt rigtige

tidspunkt.


Schrödinger-ligningen

Atomer og molekylers opførsel kan

ikke forklares vha. de klassiske fysiske

love. Istedet må man anvende

en mere grundliggende fysisk beskrivelse,

når man f.eks. vil beskrive,

hvorledes en atomkerne bevæger

sig under en kemisk reaktion.

Den teori, der benyttes, kaldes

kvantemekanik, og den fundamentale

bevægelsesligning kaldes den

tidsafhængige Schrödinger-ligning

(efter den østrigske fysiker Erwin

Schrödinger).

Løsning af denne ligning kan give

eksperiment. Teoretisk beskrives

kemiske reaktioner ved

hjælp af de kvantemekaniske

love for elektroner og kerner.

Disse love, er baseret på

Schrödinger-ligningen (se

boks), og løsning af denne ligning

kræver meget store computere

med henblik på at

kunne beregne forløbet af kemiske

reaktioner.

Kontrol af kemiske reaktioner

Et andet interessant aspekt af

„femtokemi“ vedrører de muligheder,

der ligger i at benytte

femtosekundlasere til at styre

og kontrollere udfaldet af kemiske

reaktioner. Ideen er, at man

vha. femtosekundlasere kan

gribe ind i reaktionen, mens

den forløber. Dette skal altså

ske hurtigere end kemiske bindinger

dannes og brydes, dvs.

inden for 10-100 femtosekunder.

Denne type kontrol på molekylært

niveau er meget mere

selektiv end traditionelle kemiske

metoder, hvor kun makroskopiske

parametre som temperatur

og tryk kan ændres. På

Danmarks Tekniske Universitet

studerer vi mulighederne for

kontrol baseret på teoretiske

beregninger. Vi har f.eks. benyttet

femtosekundlasere til

selektivt at bryde en bestemt

binding i et molekyle med flere

kemiske bindinger. Dette er

illustreret i figuren på foregående

side. Man kan lidt populært

kalde dette „molekylær

kirurgi“ med femtosekundlaseren

som „kniv“. Målet er

dels at opnå større selektivitet,

position og hastighed til enhver senere

tid, men der viser sig at være

mange mulige værdier af disse - dvs.

mange mulige udfald, som angives

ved en sandsynlighedsfordeling.

Det blev forudsagt allerede i slutningen

af 1920’erne, at kvantemekanikken

danner det matematiske

fundament for hele kemien og det

meste af fysikken. Problemet er blot,

at Schrödinger-ligningen er vanskelig

at løse. Mulighederne herfor er imidlertid

vokset i takt med udviklingen af

stadig større computere.

dels afreaktioner til at følge

veje, som ikke er tilgængelige,

når mere traditionelle metoder

benyttes.

På Aarhus Universitet bruger

vi femtosekundlasere til at styre

nedbrydningen af iod-molekyler

(I 2 ). Med en kraftig laser

drejer vi molekylerne, så de alle

sammen peger i samme retning,

og er denne retning parallel

med den efterfølgende laserstråle

nedbrydes iod-molekylerne

på en måde, men er retningen

vinkelret på laseren er

nedbrydningen anderledes. Det

er naturligvis en tilsnigelse at

kalde kontrollen af I 2 molekylerne

for kontrol af en kemisk

reaktion, men I 2 eksperimenterne

lærer os de grundlæggende

principper, der i fremtiden

vil muligøre kontrol af

rigtige kemiske reaktioner.

“Billede” af en kemisk reaktion i et

iod-molekyle.

Mange anvendelses muligheder

Femtosekundlaseren er et af de

vigtigste forskningsinstrumenter

inden for moderne

kemi og fysik. Udviklingen af

femtosekundlaseren startede for

ca. 20 år siden og i dag findes

de i et utal af varianter, der kan

tilpasses de eksperimentelle

fordringer man har.

Det er også interessant at se,

hvordan femtosekundlaseren i

stigende grad finder praktisk

anvendelse udenfor forskningslaboratorierne;

Først og fremmest

er korte laserpulser meget

anvendelige til materialebearbejdning.

Der udvikles

meget lidt varme i forbindelse

med en femtosekundpuls, og

det er derfor muligt at bore

meget fine, og meget små, huller

(≤0.0002 mm), med femtosekundlasere.

Da pulserne samtidigt

er ekstremt intense, er

der ingen grænser for hvilke

materialer, der kan bearbejdes.

Den begrænsede varmeudvikling

er også baggrunden for

anvendelsen af femtosekundlasere

til medicinske formål,

hvor man har lavet korrektioner

i øjets optik og senest også begynder

at bruge femtosekundlasere

til behandling af hudkræft.

En anden medicinsk

anvendelse af femtosekundlasere

er i moderne mikroskoper.

En laserpuls på 10 fs er

ikke mere end ca. 3 µm lang og

kan derfor bruges som en slags

radar i biologiske materialer.

Man sender laserpulsen ind i

prøven og måler, hvornår og,

hvor meget pulsen reflekteres,

på samme måde som en flagermus

navigerer ved hjælp af lydbølger.

Derved kan der laves

billeder i forskellig dybde af det

ellers uigennemsigtige væv. Teknikken,

der kaldes Optisk Kohærens

Tomografi, er i dag meget

udbredt blandt øjen- og

hudlæger.

Stærk som solen

Mennesket har altid været fascineret

af energi i koncentreret

form; I stenalderen var det

ilden, senere kom dampmaskinen,

benzinmotoren og endeligt

A-kraftværkerne, som

eksempler på menneskets evne

til at frembringe og koncentrere

energi. Ingen af disse teknologier

når dog femtosekundlaseren

til sokkeholderne! I en

femtosekund puls kan man

koncentrere op til 10 16 W/cm 2,

svarende til 5% af den effekt,

som solen totalt afsætter på hele

jordkloden. Heldigvis er pulsens

varighed kun 10 -14 sekund, så

det var ikke vores skyld, at solen

gik i sort den 11. august.

Søren Keiding

Henrik Stapelfeldt

Niels E. Henriksen

Om forfatterne

Søren Keiding og Henrik

Stapelfeldt, Kemisk Institut,

Aarhus Universitet, tlf.: 8942 3333.

Niels Engholm Henriksen, Institut

for Kemi, Danmarks Tekniske

Universitet, tlf.: 4525 2419.

Flere oplysninger:

www.kemi.aau.dk/research/

femtolab/

http://tkemi.kemi.dtu.dk/

14 Aktuel Naturvidenskab 2/1999

Foto: Vibeke Frøsig

More magazines by this user
Similar magazines