Előfizetés a lapra

A molekulák ultragyors viselkedése

A hét kutatója, femtoszekundum, interjú, kémia, pikoszekundum, reakció

2016/10/12

A kémiai reakciók femtoszekundumos időskálán zajlanak le, azaz a másodperc milliárdod részének a milliomod része alatt. Korszerű lézerekkel ma már lehet vizsgálni ezeket a folyamatokat: ilyenkor két nagyon rövid lézerimpulzus közötti időeltolódás adja a mérés alapját. A módszer kidolgozásáért 1999-ben Nobel-díjat kapott Ahmed Zewail. Keszei Ernő, az ELTE Fizikai-Kémiai Tanszékének egyetemi tanára részt vesz elektronok vízben való oldódásának ilyen módszerrel történő vizsgálatában is.

–

(KESZEI JÁNOS FARKAS FELVÉTELE)

– Általában milyen sebességgel játszódnak le a kémiai reakciók?

– – Láthatjuk magunk körül a háztartásban, a természetben, hogy nem túl gyorsak. Nem gyorsak abban az értelemben, hogy másodpercek, percek, vagy néha órák, napok is kellenek ahhoz, hogy egy kémiai reakció lejátszódjon. Ez azonban nem azért ilyen lassú, mert a molekulák lusták lennének, hiszen a molekulák nagyon gyorsak. Ahhoz, hogy ez lejátszódjon, a megfelelő molekuláknak találkozniuk kell, és a találkozáskor rendelkezniük kell azzal a többletenergiával, ami lehetővé teszi, hogy átalakuljon a molekulaszerkezetük; a kiindulási anyagokból termékek keletkezzenek.

––  A reakció atomi szinten ennél sokkal gyorsabban játszódik le?

– Igen, erről van szó. Ha meggondoljuk, hogy az atomok és molekulák milyen gyorsan mozognak, akkor ez érthető is. Szobahőmérsékletű gázokban például a kisebb molekulák, amik a levegőben vannak – oxigén, nitrogén, szén-dioxid – néhány száz m/s sebességgel mozognak, vagy akár 1000 m/s sebességgel is. Ez nagyon gyors. A molekulák méretéhez képest különösen. Ha elképzeljük, hogy vízmolekulákból kirakunk egy 1 mm hosszú fonalat, akkor több mint 3 millió molekulát lehet elhelyezni az egy milliméteres fonál mentén, olyan picik. Ehhez képest mozognak 1000 m/s sebességgel. Ebből látható, hogy a molekulák tényleg gyorsak.

Elektron vízben oldódását nyomon követő ultragyors lézerkinetikai mérések eredménye. A 2,5 ps időskála mentén (kissé bal oldalról) az adott hullámhosszon mérhető fényelnyelés időbeli változását követhetjük. A 400–-1400 nanométeres hullámhosszskála mentén (kissé jobb oldalról) a különböző késleltetéseknél mérhető fényelnyelés hullámhosszfüggése (az abszorpciós spektrum) látható. A felületen azt láthatjuk, hogy a kezdetben nagy hullámhosszaknál tapasztalható elnyelési maximum idővel kb. 600 nm-es maximumot mutató spektrumba – az oldott elektron spektrumába – megy át.

–– Amikor szétesik egy molekula, és az atomok összeállnak egy új molekulává, az a folyamat is nagyon gyors?

–– Ahhoz, hogy ezt megértsük, azt kell meggondolni, hogy a molekulákban az atommagoknak kell elmozdulniuk. Valahogy elhelyezkednek egymáshoz képest, majd a reakciótermékben máshogy kell állniuk. Ebben a molekularezgések sebessége a meghatározó, mert a molekulán belül állandóan mozognak az atomok. Ennek a mozgásnak a frekvenciája – tehát hogy egy másodperc alatt hányat rezegnek – határozza meg, hogy milyen gyorsan megy végbe a molekulákban a reakció abban az esetben, ha minden feltétel teljesül, azaz a reaktánsmolekulák együtt vannak, és van elég energiájuk is.

 A rezgési frekvencia helyett használhatjuk azt az időt, amely alatt átrendeződnek az atomok egy molekulán belül vagy a két molekula találkozásával kialakuló laza, átmeneti állapotban. Ez a másodpercnek kevesebb, mint 1012-ed része, azaz milliárdszor milliomod része. A 10–-12 másodpercet úgy hívják, hogy pikoszekundum (ps). Ha a pi­ko­sze­kun­dum alá megyünk, akkor kapjuk a femto-szekundumot (fs), ez 10–-15 másodperc.

–– Egy ilyen pici időintervallum egy kicsit megfoghatatlan egy laikus számára. Szemléletesen hogyan lehetne ezt elmagyarázni?

–– Ha a másik irányba megyünk, azaz a másodperceket növeljük, nem csökkentjük, akkor nem 10-–15, hanem 1015 másodpercig juthatunk, ami körülbelül a Föld kora. Tehát a Föld kialakulása óta eltelt idő az annyiszorosa egy másodpercnek, ahányad része egy másodpercnek a fem­to­sze­kun­dum.

–– Hogyan lehet a molekulákat vizsgálni ilyen rövid idő alatt, milyen módszerek vannak erre?

–– Egészen az 1950-es évekig a másodperc ezred része volt a vizsgálódás határa. Tehát szóba se jöhetett, hogy a molekulák történéseit kutassák. De aztán az 1990-es évekig annyit fejlődtek a lézerek, hogy akkor már elő lehetett állítani 10 fs hosszúságú (vagy inkább rövidségű) lézerimpulzusokat is. Ez azt jelenti, hogy ezzel a 10 fs-os lézerimpulzussal el tudunk indítani egy reakciót, és utána egy másik ilyen rövidségű lézerimpulzussal meg tudjuk figyelni, hogy mi történt a molekulával a reakció elindítása után. Körülbelül 1992-–95 között alakult ki ez a gyakorlat, és 1999-ben Nobel-díjat is kapott érte Ahmed Zewail egyiptomi származású amerikai kémikus.

 Manapság időt általában kvarcórával mérünk, amelyben van egy rezgőkör, a kvarcoszcillátor. Az órákban lévő kvarcoszcillátorok 100 kHz körüli frekvencián rezegnek, tehát 100000 rezgésük van másodpercenként, azaz 0,00001 másodpercenként rezegnek egyet. Ez bőven elegendő arra, hogy másodperc pontossággal mérjük az időt az óráinkban a rezgések számlálásával. Ha nagyon rövid időt akarunk mérni, akkor nagyon gyors rezgés kell hozzá. A leggyorsabb rezgések a számítógép processzorában fordulnak elő. A 10 GHz, ami mostanában a csúcsteljesítményű számítógép processzorának órajele, megfelel 10–-10 másodpercnek. Tehát 10–-10 másodpercnél rövidebb időt nem tudunk vele mérni. A fényt kell felhasználnunk, hogy 10-–15 másodperces időkkel tudjunk dolgozni. Ha a fény útját úgy tudjuk befolyásolni, hogy 0,3 mikrométer különbség legyen két fénysugár között, akkor az időeltolódás köztük éppen 1 fs lesz. Mivel 0,3 mikrométert be tudunk állítani mechanikailag, ezért lehetőség van fem­to­sze­kundumos időkülönbségek mérésére is. Ezt használják ki a molekulák mozgásának mérésekor is. Ehhez meglövünk egy rövid lézerimpulzussal valamilyen molekulákat, ami elindít egy reakciót, majd kis késleltetéssel utána küldünk egy másik lézerimpulzust. Ezt a késleltetést változtatva különböző időnként megnézhetjük a reakció indítása után, hogy mi történt a molekulával. Ezzel a módszerrel lehet nyomon követni a kémiai reakciókat a molekulák szintjén.

 Hidrogén-jodidból lézerimpulzus hatására kiszabaduló hidrogénatom szén-dioxidnak ütközik. Az ütközés következtében a CO2 molekula forogni kezd, majd belőle OH-gyök és szén-monoxid (CO) keletkezik. A két molekula találkozását, ezáltal a reakció indítását az teszi lehetővé, hogy nagyon hideg molekulasugárban a HI és a CO2 molekula laza kötéssel összekapcsolódnak, készen arra, hogy a lézerimpulzus a HI disszociációjával a hidrogénatomot nagy sebességgel a CO2 molekulára repítse.

–– Milyen reakciót vizsgál a kutatásai során, és milyen eredményekre jutott?

–– Én magam legtöbbet azzal foglalkoztam, hogy az elektronok milyen gyorsan oldódnak vízben. Ennek azért van jelentősége, mert nagyon sok, például sugárhatásra bekövetkező kémiai reakció úgy történik, hogy oldott elektronok reagálnak az oldatban lévő molekulákkal. Ennek megértéséhez tisztázni kell azt, hogy hogyan, milyen mechanizmus szerint és mennyi idő alatt oldódnak az elektronok, és milyen szerkezetük van mindeközben. Az elektronok vízben oldódása nagyjából 3 ps alatt teljesen lejátszódik. Az oldódás részletei pedig körülbelül 100 fs időtartományokban értelmezhetők. Tehát ilyen gyorsan kell ezt megmérni. Én magam leginkább a kísérleti adatok értelmezésében és az oldódás molekuláris mechanizmusának felderítésében működtem közre.

–– A jövőben lehetnek ennek az alapkutatásnak gyakorlati alkalmazásai is?

–– Jelenlegi tudásunk szerint a leginkább szóba jöhető gyakorlati alkalmazás az lehet, hogy ha ügyesen alkalmazunk ilyen lézerimpulzusokat, akkor azzal besugározva egy reagáló elegyet nem keletkezik melléktermék, csak az, amit elő akarunk állítani. Ez azt jelenti, hogy tiszta kémiát lehet csinálni, nem kell tisztítani a reakció termékét, nem kell melléktermékeket kidobni, azaz nagy lépést tehetünk a zöld kémia, a fenntartható kémia irányába, ha ezt egyszer iparilag megvalósítják. Magyarországon, Szegeden is elkezd működni egy év múlva egy kutatóintézet, ahol a világ legmodernebb lézerberendezéseivel ilyesmiket is kutatnak majd.

 BAJOMI BÁLINT

 

2016/9