Naturgas används i raffinaderier som bas för produkter som acetylen. Effektiviteten av gasformiga reaktioner beror på dynamiken hos molekylerna - deras rotation, vibration och translation (riktningsrörelse). Dessa rörelser ger den kinetiska energin för att driva reaktioner. Genom att förstå gasdynamik, forskare kan designa mer effektiva och miljövänliga industrisystem.

Gasmolekyler kan studeras med hjälp av transmissionselektronmikroskopi (TEM). Till skillnad från optisk mikroskopi, TEM använder en elektronstråle istället för ljus, och har en mycket högre upplösning, kan visualisera enstaka atomer. En nyligen genomförd studie publicerad i Vetenskapliga rapporter rapporterar arbetet i ett team vid University of Tokyos Institute of Industrial Science (IIS) som samarbetar med Hitachi High-Technologies Corp. Forskarna använde en avancerad version av TEM för att studera dynamiken hos enkla gaser vid hög temperatur.

"I TEM, den energiska elektronstrålen kan användas för att utföra ett annat experiment samtidigt, känd som energiförlust nära-kantstruktur [ELNES], " säger första författaren Hirotaka Katsukura. "Elektronerna i strålen ger upp en del av sin kinetiska energi när de passerar genom provet. Att mäta denna energiförlust avslöjar vilka element som finns och hur de är bundna till varandra."

I teorin, ELNES kan också mäta dynamiken hos gasmolekyler, inte bara deras kemiska bindning. Dock, forskare hade aldrig extraherat dynamisk information från ELNES tidigare. IIS-teamet valde fyra gaser - syre, metan, kväve och kolmonoxid - vars bindning är välkänd, och utförde ELNES vid rumstemperatur och 1, 000°C. Avgörande, de utförde också datorsimuleringar av dessa gaser, använder molekylär dynamikkod, att teoretiskt förutsäga effekterna av hög temperatur.

Rent generellt, när molekyler värms upp, de vibrerar snabbare och bindningarna mellan deras atomer blir längre. I IIS-experimenten, två gaser – syre och metan – gjorde det, verkligen, visa dynamiska förändringar vid hög temperatur, med betydligt snabbare vibrationer. Dock, kväve och kolmonoxid verkade inte vibrera annorlunda vid 1000°C, trots deras extra kinetiska energi. Dessutom, den simulerade högtemperaturvibrationen av metan matchade experimenten mycket nära, men vibrationen av hett syre överskattades.

"Gasmolekyler i en värmare kan få kinetisk energi på tre sätt, " säger motsvarande författare Teruyasu Mizoguchi. "Nämligen, genom att studsa in i varandra, genom att direkt vidröra värmeelementet, eller genom att indirekt absorbera värme genom infraröda strålar. Denna sista är endast möjlig för gaser med polära kemiska bindningar, där ett element drar elektroner bort från det andra. Det gäller metan (CH4), men inte syre, ett rent element. Därför, syre värmdes upp långsammare än simuleringarna förutspått."

Under tiden, misslyckandet av kväve och kolmonoxid att genomgå vibrationsexcitation var också ett resultat av deras bindningar – dock, I detta fall, de var helt enkelt för stela för att vibrera mycket snabbare. Dessa fynd understryker vikten av att ta hänsyn till kemisk bindning, även för till synes enkla processer som vibrationen av en tvåatomsmolekyl.

Ändå, teamet tror att den snabba utvecklingen inom ELNES snart kommer att göra metoden tillräckligt känslig för att upptäcka vibrationsförändringar även i stela molekyler. Detta kommer att öppna vägen mot en förbättrad förståelse av gasreaktioner på atomnivå.