Chemische binding versus elektromagnetische golven
Trillende koolstofmonoxide moleculen die zich binden aan het oppervlakte van een zoutkristal, stoppen binnen enkele milliseconden met bewegen. Wetenschappers hebben nu ontdekt dat dit voornamelijk komt door de emissie van elektromagnetische golven. De rol van de chemische binding met het oppervlakte lijkt daarmee minder belangrijk dan werd gedacht. Jörg Meyer van het Leids Instituut voor Chemie heeft bijgedragen aan het fundamentele onderzoek dat op 14 december verscheen in Science.
Trillingsenergie
Wanneer koolstofmonoxide (CO) zich aan het oppervlakte van een zoutkristal hechten, stoppen deze met bewegen. Tot voorkocht dachten wetenschappers dat de zogenaamde chemische binding tussen verschillende moleculen en atomen hierin de belangrijkste factor was. Niet alleen om de moleculen op een stabiele positie aan het oppervlak te houden, maar ook voor de overdracht van trillingsenergie. ‘Je kunt deze binding vergelijken met de veer in de schokdemper van je auto, die de rit soepeler maakt’, legt Meyer uit. ‘We hebben nu ontdekt dat trillende CO-moleculen op een zoutoppervlak voornamelijk vertragen door de emissie van elektromagnetische golven, en dus minder door de chemische binding.’ Elektromagnetische golven lijken daarom een belangrijkere rol te spelen bij de overdracht van trillingsenergie dan eerder werd gedacht.
Geen kwantumfysica?
Volgens Meyer is kwantumfysica nodig om de chemische verbindingen tussen atomen, moleculen en oppervlakten correct te beschrijven. Daarom dachten chemici tot nu toe dat kwantumfysica ook cruciaal zou zijn om de overdracht van trillingsenergie te beschrijven. De klassieke theorie achter elektromagnetische golven, zoals licht of radiogolven, is echter een zogenaamde continuüm theorie, die materie niet expliciet beschrijft als individuele atomen. Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell ontwikkelde de theorie in de tweede helft van de 19e eeuw, toen de kwantummechanica nog niet was uitgevonden. ‘Het is dan ook verrassend, en in eerste instantie lastig te geloven dat zo’n theorie hier een sleutelrol speelt, op dezelfde manier als in bijvoorbeeld radiotransmissie op macroscopische schaal.’
Computersimulaties
Meyer werkte nauw samen met de onderzoeksgroepen van de Universiteit van Göttingen en het Max Planck Institute onder leiding van Dirk Schwarzer en Alec Wodtke. Zij vertaalden de observaties naar nieuwe inzichten over de rol van de chemische binding aan het oppervlak. ‘In feiten kamen zij met het idee, ik was niet meteen overtuigd’, lacht Meyer. Voor de experimenten gebruikten de groep uit Göttingen een unieke mid-infrarood emissie spectrometer met een ongekende gevoeligheid en tijdsresolutie. Meyer zelf droeg bij door middel van computersimulaties. ‘Voor een aantal onderdelen moest ik nieuwe computerprogramma’s ontwerpen en implementeren. Sommige simulaties vereisten zoveel rekenwerk dat ik ze op mijn computercluster moest draaien in plaats van op mijn laptop.’
Interessante combinatie
Vanuit wetenschappelijk oogpunt is het project volgen Meyer een interessante combinatie van chemie, natuurkunde en toegepaste informatica. Het onderzoek stelde hem in staat zeer fundamentele inzichten te verwerven in hoe energie op atomaire staat wordt overgedragen. Meyer: ‘Zulke elementaire processen bepalen uiteindelijk waarom energie efficiënt gebruikt of verspild kan worden in de macroscopische wereld waar energie en duurzaamheid steeds belangrijker zijn.’