Omvandling av starka bindningar: Orbitalspecifik X-ray spektroskopi kommer besvara hur

Vetenskapsrådet fattade den 31 oktober 2019 beslut om projektbidrag och etableringsbidrag inom naturvetenskap och teknikvetenskap. Institutionen för fysik och astronomi tilldelas 40 840 000 SEK för perioden 2020-2023 för totalt nio projektbidrag och tre etableringsbidrag. Projekten kommer att inledas under 2020.

Projektbeskrivning

Projekttitel: Omvandling av starka bindningar: Orbitalspecifik X-ray spektroskopi kommer besvara hur
Huvudsökande: Philippe Wernet, avdelningen för molekyl- och kondenserade materiens fysik
Beviljade medel: 2 960 000 SEK för perioden 2020-2023Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

Att kunna omvandla molekyler under kontrollerade omständigheter har alltid varit en dröm för kemister, fysiker och biologer, eftersom det är nyckeln till design av nya läkemedel och till att skapa nya energikällor. Direkt omvandling av molekyler är särskilt svår när den ursprungliga molekylen hålls samman av mycket starka kemiska bindningar. Metan (CH4) är en av dessa molekyler. Det är en av huvudingredienserna i naturgas och råolja, och finns att tillgå i stora mängder.

Tyvärr är det också en av världens mest stabila molekyler. Dess bindningar är särskilt starka, och det krävs stora mängder energi för att omvandla metan till något annat. Den är således mycket oreaktiv, vilket gör att den är av begränsat intresse inom kemisk industri. Det vore dock ett genombrott om vi kunde omvandla metan och liknande molekyler till mer reaktiva molekyler, eftersom dessa i sin tur skulle kunna användas som ett billigt och energirikt råmaterial för olika ändamål i kemisk industri.

Vi skulle kunna förse industrin med reaktiva föreningar; användbara i storskalig kemisk syntes. Ett exempel på en sådan omvandling vore ombildningen av metan (CH4) till metanol  (CH3-O-H). Det kan tyckas enkelt, eftersom vi bara behöver bryta en av de fyra C-H-bindningarna och föra in en syreatom (O) däremellan. Man skulle dock behöva tillföra så mycket energi för att starta omvandlingen, eftersom C-H-bindningen är så stark, att det ändå inte skulle vara attraktivt. Men det finns ett knep. Knepet är känt sedan nästa 40 år tillbaka i tiden, utan att man förstår varför det fungerar.

Det är här vi kommer in: Vi vill förstå hur detta knep fungerar. Det är känt att man behöver använda en katalysator för att reducera energikostnaden för att bryta C-H-bindningen och därmed kunna omvandla metanmolekylen. Katalysatorn är i sig en molekyl som innehåller en metallatom. Genom att belysa katalysatorn med solljus kan vi ”aktivera” dess metallatom och denna aktivering kan överföras till C-H-bindningen. Nästan magiskt attraheras metan, som normalt inte binder till något annat, till metallatomen i katalysatorn.

Så inleds omvandlingen av metan, eftersom när metan binder till metallatomen så försvagas C-H-bindningen och kan slutligen brytas. Det är detta steg vi behöver förstå: Hur ser den nya bindningen mellan metan och den aktiverade metallatomen ut och hur kan det leda till att C-H-bindningen bryts? För att besvara dessa frågor behöver vi kombinera olika metoder och begrepp från atomfysik, molekylfysik och kemisk fysik. Vi behöver kunna studera bindning mellan metan och metallatomen när den skapas.

Detta är en enastående utmaning eftersom bindningen bara existerar ett kort ögonblick, uppskattningsvis en miljondelsmiljondels sekund (en så kallad pikosekund). Korta pulser av röntgenljus, vars längd motsvarar en pikosekund kan göra det möjligt, tror vi, att se dessa kortlivade bindningar. Röntgenstrålningen ger oss inblick långt in i molekylerna och gör att vi kan ”se” bindningar med en metod som kallas röntgenspektroskopi. Eftersom vi kommer att använda många efter varandra följande röntgenpulser i så kallad tidsupplöst röntgenspektroskopi, så kan vi, som i ett stroboskop, följa bildandet av bindningen i realtid. Varje ljuspuls kommer att fånga en bild av en ny konfiguration av bindningen och om pulserna är korta nog blir bilderna av processen skarpa.

Med tillräckligt kort exponeringstid, så ser man frusna ögonblick i atomernas rörelse, precis som när man fotograferar en galopperande häst och får skarpa bilder av hästens språng med en kamera med kort slutartid. Vi kommer använda nyligen utvecklade ljuskällor, och ljuskällor under utveckling, som ger korta röntgenpulser för att se hur aktiverade metallatomer omvandlar inerta C-H-bindningar. Vi vill förstå knep för att göra oreaktiva molekyler reaktiva utan att slösa energi. Vi och andra kan sedan vidareutveckla knepet och hitta på liknande knep för att använda vanliga och oreaktiva molekyler, likt metan, i kemisk industri med radikalt reducerat energibehov.