På vej mod kemiens ukendte områder
Det er lykkedes fysikere på Aarhus Universitet at skabe et forsøg, der kan genbruge nogle af verdens mest sjældne molekyler. Det resultat gør det i fremtiden muligt for forskere verden over at forske i områder, der før var ren utopi.
”Mens fundamentet for universets opbygning tilhører fysikkens verden, så er det kemien der forklarer, hvordan atomer reagerer med hinanden og danner de mange molekyler, der tilsammen udgør vores verden.”
Med de ord indleder professor Michael Drewsen forklaringen på det resultat han og hans forskningsgruppe ved Grundforskningscentret QUANTOP, har beskrevet i den seneste udgave af det højt ansete kemitidsskrift Angewandte Chemie.
Den nye metode til kemiske forsøg vil gøre det muligt at lave detaljerede studier med fx supertunge grundstoffer, der kun produceres i ganske små mænger - typisk kun få atomer pr. uge - ved store accelerator faciliteter. Der ud over kan metoden danne basis for studier af ultra-kold kemi, hvor man forsker i kemiske reaktioner ved temperaturer på bare en milliontedel af en grad over det absolutte nulpunkt (minus 273 grader Celsius) eller lavere.
”Udover muligheden for at opnå ny fundamental viden om ’normale’ kemiske reaktioner, er vi som forskere selvfølgelig yderst interesserede i at afsøge uopdyrkede områder af kemien, der kan lede til nye erkendelser. Vores nyudviklede metode er i den forbindelse lidt som et Kinderæg, da den giver tre muligheder på en gang: den gør det muligt at udføre ekstremt nøjagtige målinger, foretage eksperimenter med meget sjældne molekyler, og studere kemi under ultrakolde forhold,” forklarer professor Michael Drewsen fra Institut for Fysik og Astronomi.
- Det er i dette lille forsøgskammer, at forskerne kan fange ionerne til forsøgene. Kammeret er under vakuum, når man arbejder med forsøgene. (Foto: Rasmus Rørbæk)
Kulde gør godt
Som leder for grundforskningscenteret QUANTOPs afdeling på AU har Michael Drewsen igennem en årrække bl.a. opbygget en forskningsaktivitet rettet mod at skabe og eksperimentere med kolde molekylære ioner, dvs. kolde molekyler med en elektrisk ladning.
”Kemiforsøg med udgangspunkt i enkelte kolde molekyler har et stort potentiale i forhold til at opnå meget detaljeret viden. At arbejde med enkelte partikler er den ultimative eksperimentelle situation, og kulden sløver bevægelsen i molekylets bestanddele så meget, at man kan måle uhyre præcist på deres sammensætning og struktur. Hertil kommer de spændende, nye muligheder for at lave kemi med sjældne grundstoffer med helt specielle kemiske egenskaber og foretage kemiske studier ved ultra-lave temperaturer, hvor nye effekter forventes at kunne observeres,” siger Michael Drewsen.
Gennem en årrække har gruppen udviklet eksperimentelle metoder baseret på, at man ’fanger’ én enkelt molekylær ion sammen med én atomar ion i et forsøgskammer sat ind i en kompliceret opstilling, hvor forskerne bruger laserlys til at køle ionerne ned til blot en brøkdel af en grad over det absolutte nulpunkt. Med dette udgangspunkt har man f.eks. vist, at det er muligt at studere reaktions-kemi ved at måle en enkel reaktion ad gangen, og ved hjælp af laserlys måle og kontrollere hvor hurtigt et enkelt molekyle roterer.
- Professor Michael Drewsen har stået i spidsen for arbejdet, der nu gør det muligt at genbruge molekyler i forsøg. (Foto: Rasmus Rørbæk)
BØH!
Men hvordan adskiller de nye Aarhus-forsøg sig fra tidligere? Ved at Michael Drewsen kan genbruge de ofte meget sjældne molekyler i forsøgene ved at ”rense dem”. Metoden kaldes fotodissociation, hvor forskerne kan ’nulstille’ forsøget.
”Ved at få molekylet til at absorbere blot en enkelt foton med en passende energi, bliver det så varmt, at det udefrakommende atom ”hopper” af igen. Du kan sige, at vi giver molekylet et chok, så det spjætter lidt. Vi har haft succes med metoden i en sådan grad, at vi har gennemført knapt 100 forsøg med de to samme ioner – for at blive i Kinderæg-analogien, så får vi altså 100 overraskelser med det samme Kinderæg. Samtidig har vi ekstrem stor kontrol over eksperimentet, så vi på sigt kan få langt bedre data, end man kan få med andre teknikker,” forklarer Drewsen.
At det er nu lykkedes for Aarhus-gruppen at finde en metode til at udføre en række kemiske forsøg med den samme reaktant, kan vise sig at blive betydningsfuldt for en række undersøgelser, hvor man ønsker at udføre eksperimenter med verdens mest sjældne molekyler.
Indsigt gennem fejl
Selvom metoden udviklet i QUANTOP regi er baseret på en kombination af kendte principper, har metoden vist sig overraskende god til at sortere mulige fejlmålinger fra. Hvor godt metoden virkede tog fusen på selv forskningslederen en dag, da man opdagede en fejl i et forsøg.
”Det bedste eksempel er nok, da vi ved en fejl havde en lille rest af et stof fra et tidligere eksperiment i forsøgskammeret. Før havde vi fået nogle ”fejlmålinger”, som vi ikke umiddelbart kunne forklare – og skulle så begynde forfra. Men med den nye metode kunne vi ikke bare se, at der var fremmede stoffer i spil; vi kunne også se, hvilket stof det var, og så fjerne det fra eksperimentet. For mig personligt var det nok det øjeblik, da jeg for alvor indså hvor unik denne metode er,” forklarer Michael Drewsen.
- Forskerne på Institut for Fysik og Astronomi kan nedkøle molekylerne til meget lave temperaturer ved at bruge et meget kompliceret lasersystem. Ved at opstille en lang række linser og spejle, kan man opnå egenskaber i laserlyset, så det er i stand til at ramme de præcise frekvenser, man har brug for til eksperimentet. (Foto: Rasmus Rørbæk)
Forskning med langtidsperspektiv
QUANTOP har eksisteret siden 2001, hvor Dansk Grundforskningsfond oprettede Grundforskningscentret under ledelse af professor Eugene Polzik, der siden tog en stilling ved Niels Bohr Instituttet. Centret har dog fortsat med en stor aktivitet på Aarhus Universitet, hvor den nye metode er udviklet under ledelse af professor Michael Drewsen.
”Grundforskningscentret QUANTOP har været essentiel for etableringen af vores forskningsaktiviteter på højeste internationale niveau. På sin vis kan det netop opnåede resultat opfattes som et godt eksempel på, hvilket udkomme denne type bevillinger, med et langt tidsperspektiv, kan give.
Vores forskning her på Aarhus Universitet gør det nu muligt for forskere verden over at bevæge ud i ukendt farvand for kemien.” siger Michael Drewsen
Ud over bevillingen fra Danmarks Grundforskningsfond har Det Frie Forskningsråd, Lundbeckfonden og Carlsbergfondet bidraget generøst til forskergruppens arbejde, og endelig har projektet været støttet af EU gennem ITN netværkssamarbejdet FASTQUAST.
Se det ske
På denne lille animation kan man se de forskellige processer som indgår i forsøgene inde i forsøgskammeret. Først indfanges og laserkøles to Ca+ ioner. Dernæst lukkes en gas af HD molekyler ind i forsøgskammeret, og 48CaH+ eller 48CaD+ molekyler dannes. Ved at ’veje’ den molekylære ion afgøres hvilken. Endeligt gendannes Ca+ ionen ved at molekylet absorberer en foton, og den eksperimentelle sekvens kan startes på ny.
