Een van de eenvoudigste koolwaterstofverbindingen, methaan met een extra waterstofkern eraan, heeft onderzoekers vijftig jaar lang voor een raadsel gesteld. Het verandert aanhoudend razendsnel van structuur, maar tegelijk heeft één bepaalde structuur sterk de voorkeur. Een team van onderzoekers uit Nederland en Duitsland heeft dit nu voor het eerst experimenteel weten te bevestigen.
Het molecuul in kwestie...
...staat model voor een hele klasse van moleculen die een belangrijke rol spelen in de chemie van koolwaterstoffen, zowel hier op aarde als in de ruimte tussen de sterren. De onderzoekers publiceren hun bevindingen op 30 juni 2005 in Science Express, de on-line editie van het weekblad Science.
Het bovenstaande molecuul wordt in onderstaande tekst aangeduid als "CH5+"
Bouwstenen en hun structuur
Koolwaterstoffen vormen de belangrijkste bouwstenen van de organische chemie en hun structuur is over het algemeen zeer goed bekend. Dat geldt zeker voor het eenvoudigste ervan, methaan (CH4). Wordt aan dit molecuul een proton, H+, toegevoegd, dan verandert de situatie echter drastisch. Standaard methoden om de structuur te berekenen faalden, terwijl het ook uiterst moeilijk bleek experimenteel betrouwbare informatie te verkrijgen. Meer dan vijftig jaar nadat het bestaan van CH5+ voor het eerst werd aangetoond, is er nu een doorbraak.
Dans van de protonen
Een samenwerkingsverband van experimentele en theoretische onderzoekers uit Nederland en Duitsland is erin geslaagd het infraroodspectrum van het ion zowel te meten als ook te berekenen. Door de goede overeenstemming tussen beide methoden is het mogelijk conclusies te trekken over de structuur. Enerzijds bevestigt dit onderzoek dat het molecuul razendsel van structuur verandert, zoals reeds enige tijd het vermoeden was op grond van theoretische overwegingen. Anderzijds blijkt de dans van de protonen om het koolstofatoom zodanig georkestreerd, dat één structuur duidelijk domineert. Deze structuur wordt gekenmerkt door een zogeheten 'drie centra - twee elektronen'-binding. Men denkt dat dit type binding kenmerkend is voor zogenaamde niet-klassieke koolwaterstofkationen. Deze spelen een belangrijke rol in de chemie van koolwaterstoffen, zowel in het laboratorium als ook in de interstellaire ruimte. Voor CH5+ , dat geldt als het prototype van deze klasse, was het bestaan van deze binding echter nog steeds omstreden. Voor het eerst is nu experimenteel aangetoond dat zo'n binding ook echt bestaat in CH5+. Dit maakt een einde aan jarenlange speculaties over de structuur van CH5+ .
Het experiment
Het team van onderzoekers heeft het infraroodspectrum van CH5+ opgenomen door enkele duizenden ionen in een geavanceerde ionenval bij 110 graden Kelvin op te sluiten en te laten reageren door bestraling met infraroodlicht van de vrije-elektronenlaser FELIX van het FOM-Instituut DIFFER. De infraroodstraling die FELIX produceert is voor dit soort onderzoek bijzonder geschikt vanwege het grote afstembereik (over een groot golflengtebereik kan elke gewenste golflengte worden ingesteld) en de hoge intensiteit van de opgewekte straling. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in de Science Express van 30 juni 2005.
De onderzoekers
- Oskar Asvany (Sterrenwacht Leiden),
- Padma Kumar (Ruhr-Universität Bochum),
- Britta Redlich (FELIX, FOM-Instituut DIFFER),
- Ilka Hegemann (Ruhr-Universität Bochum),
- Stephan Schlemmer (Sterrenwacht Leiden en Universität zu Köln), en
- Dominik Marx (Ruhr-Universität Bochum).
