Kæmpe røntgenlaser afslører ny tilstand for molekyler

Benzin, plastikskåle, creme, regnjakker, rengøringsprodukter, gødning, biobrændstoffer, øl, plastikposer, vandflasker...

Masser af ting fra vores hverdag er blevet lavet med katalysatorer – et stof, som hjælper med at få kemiske reaktioner til at ske uden selv at blive omdannet eller brugt ved reaktionen.

Det globale marked for katalysatorer fastsættes hvert år til nye, svimlende milliardbeløb, men hvordan virker de populære katalysatorer egentlig?

I en ny undersøgelse har en forskergruppe med dansk deltagelse som de første nogensinde fået affotograferet, hvad der sker, når molekyler rammer eller river sig løs fra overfladen af en katalysator.

»Det har vist sig, at molekylerne i helt ekstremt kort tid kan befinde sig i en særlig tilstand, som ligger længere væk fra overfladen af katalysatoren, end man havde regnet med. Stort set alle kemiske processer er kontrolleret af katalysatorer, og derfor er det fuldstændig afgørende at vi forstår, hvordan de fungerer,« siger danske Jens Nørskov, som er professor og forskningsleder ved Institut for Kemisk Ingeniørvidenskab på det amerikanske Stanford University.

Han er en af forskerne bag den nye undersøgelse, som netop er blevet publiceret i det anerkendte, videnskabelige tidsskrift Science.

Kemisk proces går ekstremt hurtigt

Men hvordan har forskerne kunnet fotografere, hvad der sker med de bittesmå molekyler på overfladen af en katalysator?

Når der sker en kemisk reaktion, som bliver hjulpet på vej af en katalysator, foregår processen ofte vanvittigt hurtigt – med hastigheder i størrelsesordenen picosekunder, hvor et picosekund svarer til 10−12 sekunder (0,000000000001 sekunder).

Derfor kan forløbet i de kemiske processer langt fra filmes med almindelige kameraer eller ses med selv de bedste mikroskoper.

Røntgenstråling virker som fotografiapparat

I den nye undersøgelse har forskerne derfor gjort brug af et helt særligt instrument – en såkaldt frielektron røntgenlaser, som står ved forskningscentret SLAC National Accelerator Laboratory i Stanford i Californien.

»Selve instrumentet er et fuldstændig vanvittigt stykke ingeniørarbejde i sig selv, og det er det første i verden af sin art. Der løber en lineær accelerator tre kilometer op i bjergene her bag mig på Stanford,« siger Jens Nørskov, som også er professor ved SLAC.

Han forklarer, at i den lange accelerator i bjergene bliver elektroner accelereret på en særlig måde, så de udsender kraftig røntgenstråling.

Røntgenstrålingen kan bruges som en form for fotografiapparat, som kan tage billeder af bittesmå molekyler med ekstremt korte tidsintervaller.

»Det enestående er, at frielektronlaseren kan lave pulser af røntgenstråling, som har en meget kort tidsopløsning. Det betyder, at vi pludselig kan få informationer om, hvad der foregår undervejs i kemiske processer, selvom tingene kun forløber over nogle ganske få picosekunder,« forklarer Jens Nørskov.

Brugte Ruthenium som katalysator

I den nye undersøgelse har forskerne brugt frielektron røntgenlaseren til at undersøge katalysatoren Ruthenium.

Ruthenium er et grundstof, som minder om jern, og det bruges som katalysator i mange processer – for eksempel kan det være en vigtig katalysator, når man skal omdanne vind og sol til brugbar energi.

Et af de molekyler, som ofte bruger Ruthenium som katalysator, er det såkaldte kulmonoxid (CO). CO-molekylet findes typisk i gasform, og når gas-molekylerne skal indgå i en kemisk reaktion, ”flyver” de ind og sætter sig på overfladen af Ruthenium.

Ruthenium fungerer nu som katalysator og sørger for, at CO-molekylernes reaktion går hurtigere - efter ganske kort tid kan molekylerne altså flyve væk fra Ruthenium igen, og reaktionen er fuldendt.

Forskerne filmer kemisk proces

For at undersøge denne proces nøjere, opstillede forskerne et forsøg, hvor en gruppe CO-molekyler havde bundet sig til Ruthenium-overfladen på normal vis.

Herefter beskød de CO-molekylerne med en laser-puls for at få dem til at reagere og forlade overfladen.

Selvom der gik langt mindre tid end et sekund, før CO-molekylerne svævede rundt i luften som frie gasmolekyler, kunne hele CO-molekylernes løsrivelse fra Ruthenium-overfladen nøje følges af røntgenstrålerne fra frielektronlaseren.

»På den måde kan man sige, at der er blevet optaget en form for film af processen, selvom den foregår over meget, meget kort tid,« siger Jens Nørskov.

Molekylerne kommer i en mærkelig overgangsfase

Da forskerne gik i gang med at undersøge og fortolke røntgenlaser-filmen, kunne de se, at CO-molekylerne opførte sig mærkeligt på vej væk fra Ruthenium-overfladen.

Der så ud til at være en helt ny tilstand imellem de to tilstande, hvor CO-molekylerne enten sad bundet til Ruthenium-overfladen eller svævede rundt i luften som frie gasmolekyler.

En sådan ”overgangs-tilstand” for molekyler blev allerede foreslået af nobelpristageren Irving Langmuir i 1930’erne.

Men selvom forskerne i årtier har haft stærk mistanke om, at tilstanden findes, er det første gang, at den er blevet vist eksperimentelt, forklarer professor ved Danmarks Tekniske Universitet, Jane Hvolbæk Nielsen.

»Denne her tilstand har man aldrig før været i stand til at måle. Det er en tilstand, hvor CO-molekylet sidder løst bundet til overfladen, og det kan bevæge sig relativt frit. Normalt er CO-molekyler bundet rimelig stærkt fast til overfladen, og vi ved også, at molekylerne kan være glade og tilfredse ude i gasfasen,« siger Jane Hvolbæk Nielsen, som er institutdirektør ved DTU Fysik.

»Men forsøget viser, at molekylet i virkeligheden har det her lille helle, hvor det gør ophold - enten når det er på vej ind mod eller på vej væk fra overfladen.«

Hun tilføjer, at ”det lille helle” for molekylet har betydning for, hvor hurtig en kemisk reaktion kan foregå.

”Supersejt eksperiment”

Selvom forsøget kun er vist for CO-molekyler med Ruthenium som katalysator, mener Jane Hvolbæk Nielsen dog, at det er sandsynligt, at andre molekyler og katalysatorer vil opføre sig på samme måde.

»CO er et ret normalt molekyle, og Ruthenium-overfladen er en ret normal metaloverflade, så der er ingen tvivl om, at der vil komme stor opmærksomhed på denne her undersøgelse. Det vil garanteret inspirere en masse andre forskere til at undersøge, om det samme gælder for lignende systemer og katalysatorer,« siger Jane Hvolbæk Nielsen.

Hun har ikke været en del af den nye undersøgelse, men hun forsker inden for samme område og er i det hele taget meget begejstret for den nye forskningsartikel.

»Den kombinerer et supersejt eksperiment med noget meget avanceret teori. Og det, som gør, at det har så stor gennemslagskraft, er, at de har nogle fantastiske målinger af noget, som man ikke har kunnet måle tidligere, og at det rent faktisk lykkes at få målingerne til at passe med denne her avancerede teori,« siger professor Jane Hvolbæk Nielsen.

Danskere har haft stor indflydelse

Netop den avancerede teori bag eksperimentet har de danske deltagere i undersøgelsen haft stor indflydelse på.

Ud over professor Jens Nørskov har fysikeren Andreas Møgelhøj stået for de komplicerede, kvantemekaniske beregninger som en del af sit ph.d.-studium på DTU og Stanford University.

»Jeg har været med til at udvikle beregningsmetoden, og det er virkelig fedt for mig personligt, at det er endt med at være noget, som kan bruges ude i den store verden. Teori kan jo nemt blive meget abstrakt, og man kan ende med at bruge år på at udvikle metoder, som i sidste ende aldrig bliver brugt,« fortæller Andreas Møgelhøj.

»Eksperimentet er selvfølgelig det store i undersøgelsen, men jeg tror ikke, at folk havde købt resultaterne, hvis ikke det var lykkedes at få det hele til at passe sammen med teorien,« siger Andreas Møgelhøj, som nu arbejder i den danske katalysatorvirksomhed Haldor Topsøe. 

Resultatet er vigtigt ift. fremtidens energiproblemer

Men hvad er det egentlig, at man kan bruge den nye viden til ude i den store verden?

Spørger man professor Jens Nørskov, er der i første omgang tale om grundforskning, som øger forskernes viden om, hvordan katalysatorer fungerer.

»I virkeligheden findes der masser af kemiske processer, som man gerne vil kunne lave, men som ikke kan lade sig gøre, fordi vi ikke har de rigtige katalysatorer. Derfor er der en voldsom interesse for at forstå denne her type processer ned til mindste detalje, sådan at vi kan blive i stand til at lave nye og bedre katalysatorer,« siger Jens Nørskov fra Stanford University.

Han tilføjer, at bedre katalysatorer for eksempel vil kunne åbne døren til nye og bedre typer af vedvarende energi.

»Det, som vi selv arbejder med nu, er den type proces, som omdanner sollys, vand og CO2 til brændstof. Det er en proces, som man kan kalde kunstig fotosyntese, og som rummer potentialet til at kunne gemme energien fra vedvarende energikilder som sol og vind i en kemisk binding. Men her er det også katalysatorer, som er afgørende for, at de rigtige kemiske processer kan ske,« siger Jens Nørskov.

Han mener således, at udviklingen af bedre katalysatorer kan være en afgørende faktor for at løse fremtidens energiproblemer og forurening. Dermed kommer et lille CO-molekyles bevægelser på overfladen af en Ruthenium-overflade altså til at virke langt mere betydningsfulde, end de måske umiddelbart ser ud til.