Minder laserenergie nodig om moleculen te breken dankzij lichtval in nanokamertje
Scheikundige reacties sturen zonder vlam of hitte, alleen met licht. Dat klinkt als sciencefiction, maar een nieuwe computersimulatie laat zien dat het misschien wel duizend keer efficiënter kan dan gedacht. Het geheim zit in een piepklein holtetje dat licht gevangen houdt rond een enkel molecuul.
Normaal gesproken breek je een chemische binding, de "lijm" tussen atomen in een molecuul, met hitte of met een laser die direct op het molecuul schijnt. Dat kost veel energie. Onderzoekers onderzochten nu wat er gebeurt als je een molecuul in een nanoholte stopt: een structuur die zo klein is dat ze infrarood licht (licht met een golflengte net buiten wat we kunnen zien, dat we vooral als warmte voelen) als het ware opsluit en versterkt.
Licht dat zichzelf versterkt
Zelfs zonder dat er licht naar binnen schijnt, is er in zo'n nanoholte altijd een beetje elektromagnetische activiteit aanwezig. Natuurkundigen noemen dit het "vacuümveld". Het is een eigenaardigheid van de kwantumfysica: leegte is nooit helemaal leeg. Wanneer een molecuul heel precies is afgestemd op dit vacuümveld, ontstaat er een sterke koppeling tussen het molecuul en het licht in de holte.
De onderzoekers simuleerden twee bekende moleculen: CO2 (koolstofdioxide) en H2O (water). Ze vergeleken twee manieren om het molecuul te laten trillen tot het breekt: direct met een laser erop schijnen, of juist fotonen (lichtdeeltjes) de nanoholte in sturen, waar ze via het vacuümveld het molecuul raken.
Het resultaat is opvallend. Via de nanoholte was tot wel duizend keer minder laserenergie nodig om de molecuulbinding te breken dan bij directe bestraling. De onderzoekers wijzen drie factoren aan die hierbij samenspelen: de manier waarop atoomkernen onregelmatig trillen (anharmoniciteit), de sterkte van de koppeling tussen licht en molecuul, en de richting waarin het vacuümveld georiënteerd is ten opzichte van de lading in het molecuul.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is een simulatie van één onderzoeksteam, nog geen praktijkexperiment. De berekeningen gaan bovendien uit van een enkel molecuul in een ideale nanoholte, niet van een reageerbuis vol moleculen zoals in een echt laboratorium. Of dit effect ook buiten de computer, bij echte metingen met grotere hoeveelheden stof, optreedt, moet nog blijken.
Toch is dit een belangrijke stap. Wetenschappers experimenteren al met echte nanoholtes waarin een paar moleculen sterk koppelen aan infrarood licht, bij kamertemperatuur. Wat tot nu toe ontbrak, was een goed begrip van wat er precies gebeurt op moleculair niveau. Deze studie levert daarvoor het rekengereedschap.
Waarom is dit interessant? Als je chemische reacties kunt sturen met licht in plaats van met hitte, kost dat uiteindelijk veel minder energie. Dat zou nieuwe manieren kunnen openen om chemie te bedrijven op de kleinst mogelijke schaal: met individuele moleculen, in plaats van met grote hoeveelheden stof die je moet verhitten. De onderzoekers noemen dit zelf een hulpmiddel om toekomstige experimenten met licht en moleculen beter te ontwerpen.
Bron: The infrared vacuum reduces the laser energy needed to break molecular bonds of simple molecules