Kemiska hemligheter i blixtbelysning

Kemisterna har blivit allt skickligare på att framställa olika föreningar, men det som sker på vägen mellan ursprungsämnen och slutprodukter har länge varit lika fördolt som hemligheterna inne i trollkarlens hatt. För att kunna följa vad som händer vid en kemisk reaktion måste man röra sig i en sådan minimal skala av tid och rum att det är svårt att föreställa sig vad det egentligen handlar om. Kemiska bindningar är normalt några Ångström långa (1 Ångström är en tiondel av en miljarddels meter eller 10^-10 meter). När kemiska bindningar brister och nya bildas kan det ske så snabbt som inom en miljondels miljarddels sekund. En så liten del av en sekund kallas en femtosekund och kan uttryckas som 10^-15 sekunder. Att kunna undersöka mellanstegen i sådana mikroskopiskt små och supersnabba förlopp vågade forskarna knappast drömma om ännu för ett par decennier sedan. Men drömmen har besannats genom det uppfinningsrika arbete som årets Nobelpristagare i kemi, egyptiern Ahmed H Zewail, har utfört i sin forskning.

En bild var femtosekund

Zewail har utvecklat en analysmetod, femtoskopi, som kan liknas vid världens snabbaste höghastighetskamera. Den bygger på en speciell form av laserteknik som producerar korta ljusblixtar i så snabb följd att man är nere på en tidsskala av just femtosekunder, dvs den tidsupplösning som krävs för att kunna följa förloppet under en kemisk reaktion. Men de frysta ögonblick som kameran förevigar blir inga foton där man kan urskilja atomer och molekyler. I stället registreras ljusspektra ur vilka forskarna kan utläsa hur avståndet mellan atomernas kärnor förändras under reaktionens gång.

För att kunna bryta de bindningar som håller samman atomerna i en molekyl och därmed starta en reaktion krävs att molekylen aktiveras genom ett tillskott av energi. Ju mer energi molekylen tillförs, desto kraftigare blir utslagen i de enskilda atomkärnornas svängningar. När energin blir tillräckligt hög brister bindningarna och atomerna kan frigöra sig för att eventuellt bilda nya föreningar. En av de geniala idéer som Zewail kom på var att använda samma laserpuls både till att aktivera molekylen, dvs att sparka i gång reaktionen, och till att blixtbelysa den.

Blixtljus på omväg

Femtoskopi fungerar på följande sätt: Med en laserpuls av en bestämd våglängd tillförs molekylerna precis den mängd energi som behövs för att reaktionen ska starta. Molekylerna i provet svänger därmed i samma takt.

Laserljus från samma puls, den s k analyspulsen, leds med hjälp av speglar en omväg in i provet. Eftersom detta ljus har tvingats gå en längre väg når det de aktiverade molekylerna med en viss fördröjning. Vill man t ex ta reda på hur det ser ut i provet 100 femtosekunder efter startpulsen, förlänger man ljusets väg med 0,03 millimeter. Genom att ställa in speglarna i olika lägen kan forskarna välja när under reaktionsförloppet som bilden ska tas och på så sätt följa hur fort och på vilket sätt molekylerna förvandlas.

I ett av de första femtosekundsexperiment som Zewail utförde studerade han hur saltet natriumjodid sönderdelas (se rutan intill). Han kunde följa hur molekylen rör sig innan den faller sönder och rita upp de kurvor för lägesenergin som styr molekylens rörelse. För första gången gick det att i realtid följa hur en kemisk bindning pendlade mellan att vara jonisk och kovalent (bild 2). Experimentet ledde till att kemisterna fick bekräftat sina idéer om de kemiska bindningarnas dynamiska natur.

Populärt bland svenska kemister

Marcus Rasmusson är doktorand på Institutionen för kemisk fysik vid Lunds universitet. Hans professor Villy Sundström introducerade femtokemin i Sverige för några år sedan, och nu är den spridd till flera av våra större universitet.
– I vårt laboratorium har vi ett lasersystem som producerar 1 000 intensiva infraröda femtosekundpulser i sekunden, berättar Rasmusson.

Speglarna förflyttas i små steg längs en bana med hjälp av en liten motor. Ofta mäts kanske tusen pulser innan speglarna flyttas. Olika våglängder kan genereras genom att ljuset får passera igenom tunna plattor av speciella material. Vissa material kan omvandla det infraröda ljuset till blått ljus, andra material ger vitt ljus, dvs alla färger samtidigt.

Med denna utrustning undersöker Rasmusson, tillsammans med andra forskare på institutionen, hur olika molekyler i lösning reagerar. I Lund används femtokemi också på en rad andra områden, t ex för att studera fotosyntes och elektriskt ledande plaster.
– Genom möjligheterna att på experimentell väg studera dynamiska förlopp har synen på kemiska reaktioner förändrats i grunden. Men vi behöver också den kunskap som teoretikerna bidrar med för att verkligen förstå vad som sker, förklarar Rasmusson.

Vid vägs ände?

”Den insats som Zewail får Nobelpris för innebär att vi har kommit till vägs ände: snabbare än så sker inga kemiska reaktioner”, skriver Kungl Vetenskapsakademien i ett pressmeddelande. Men Zewail själv har nyligen spekulerat, i den amerikanska tidskriften Science Spectra, över möjligheterna att ytterligare pressa tiden. Kanske når man en dag en tidsupplösning som räknas i attosekunder, dvs miljarddels miljarddels sekunder eller 10^-18 sekunder. Lyckas man med det blir det kanske möjligt att som nu inte ”bara” kunna följa hur atomkärnorna svänger utan även observera hur elektronerna rör sig.

Oavsett om forskningen en dag når så långt finns det andra lovande utvecklingsmöjligheter inom fältet. En sådan är att använda femtokemi för att styra reaktioner och därigenom slippa besvärliga biprodukter, t ex vid tillverkning av läkemedel. Genom att tillföra energi i rätt avvägda vågpaket är det teoretiskt möjligt att aktivera enbart de bindningar som måste brytas för att få den önskade produkten.