Botsende moleculen vertonen vreemd gedrag

"Wij onderzoeken in ons lab hoe moleculen op elkaar en op atomen botsen", zegt Jolijn Onvlee. Zij en haar collega’s willen onder andere achterhalen onder welke hoek de moleculen wegkaatsen nadat ze op de atomen zijn geknald. Onvlee: "Vaak kunnen we de botsende deeltjes daarbij beschouwen als biljartballen. In dat geval is het logischerwijs onmogelijk dat het molecuul zich na de botsing recht achter het atoom, of in de schaduw van het atoom, bevindt waar het op is gebotst." Dat idee komt overeen met onze intuïtie, maar in de praktijk zien de natuurkundigen dat onze intuïtie het niet altijd bij het rechte eind heeft: "Een paar jaar geleden hebben wij voor het eerst gezien dat sommige moleculen wél in de schaduw van het atoom eindigen. En in het huidige werk hebben we ontdekt dat er een bepaalde hoek is, achter het atoom, waar alleen moleculen terechtkomen die na de botsing op een bepaalde manier rond hun as draaien."

Van biljarttafel naar golfslagbad

Dat betekent dat het biljartballen-model niet toereikend is. Er treden verschijnselen op die je klassiek niet kunt verklaren, hoeveel effect je de biljartballen ook meegeeft.  "Volgens de wetten van de kwantummechanica kunnen moleculen zich niet alleen als deeltjes, maar ook als golven gedragen", zegt Onvlee. Wanneer een molecuul op een atoom botst, botsen hun golven en ontstaat er interferentie. "Zo ontstaat een serie nieuwe golven, die in allerlei richtingen voortbewegen, ook achter het atoom. In dat geval kan het molecuul dus wél achter het atoom terechtkomen."

Draaiende moleculen

Theoretisch was dit al lang bekend, en een paar jaar geleden heeft deze onderzoeksgroep voor het eerst de zogenoemde diffractiepatronen van de botsende golven achter het atoom kunnen meten. In een nieuwe publicatie zoomen de onderzoekers flink in op wat er nu precies gaande is, en zo ontdekten zij dat er sommige plekken zijn, achter het atoom, waar alleen die moleculen terechtkomen die op een bepaalde wijze om hun as draaien. "We hebben zelfs kunnen achterhalen onder welke hoek de deeltjes precies op elkaar botsen om hier terecht te komen, zonder dit zelf direct te controleren of te meten", aldus Onvlee.

Hiervoor gebruikten de fysici een relatief simpel model, dat ook gebruikt wordt om de diffractie van licht en ander soort golfpatronen te verklaren. Het golfkarakter van de botsende deeltjes speelt hierbij een cruciale rol. Zo hebben de onderzoekers gevonden dat de draairichting van de moleculen na de botsing, linksom of rechtsom, afhangt van de zogenoemde pariteit van de moleculen: een kwantummechanische eigenschap die wat zegt over de manier waarop de eigenschappen van het deeltje veranderen als het wordt geobserveerd in een spiegel.

"Deze resultaten dragen bij aan een beter begrip van extreem gecompliceerde chemische processen, die bijvoorbeeld in de ruimte, de atmosfeer en in verbrandingsmotoren plaatsvinden", aldus Onvlee.

Het onderzoek is mede mogelijk gemaakt door de FOM-Projectruimte. Eerste auteur van het recente artikel over het onderzoek, Jolijn Onvlee, won vorig jaar de Posterprijs tijdens Physics@FOM Veldhoven 2015, voor haar poster over dit onderzoek. Co-auteur Sjoerd Vogels is in dienst bij FOM.

Imaging quantum stereodynamics through Fraunhofer scattering of NO radicals with rare-gas atoms, Jolijn Onvlee, Sean D.S. Gordon, Sjoerd N. Vogels, Thomas Auth, Tijs Karman, Bethan Nichols, Ad van der Avoird, Gerrit C. Groenenboom, Mark Brouard & Sebastiaan Y.T. van de Meerakker, Nature Chemistry, 31 oktober 2016