Det är en underdrift att säga att kemiska reaktioner sker överallt, ständigt. Både i naturen och på labbet, kemi är allestädes närvarande. Men trots framsteg, det är fortfarande en grundläggande utmaning att få en fullständig förståelse och kontroll över alla aspekter av en kemisk reaktion, såsom temperatur och orientering av reagerande molekyler och atomer.

Detta kräver sofistikerade experiment där alla variabler som definierar hur två reaktanter närmar sig, och slutligen reagera med, var och en kan väljas fritt. Genom att kontrollera saker som hastigheten och orienteringen av reaktanterna, kemister kan studera de finaste detaljerna i en viss reaktionsmekanism.

I en ny studie, ett team som leds av Andreas Osterwalder vid EPFL:s Institute of Chemical Sciences and Engineering, arbetar med teoretiker från University of Toronto, har byggt en apparat som gör det möjligt för dem att styra orienteringen och energierna för reagerande atomer, ner till nästan absolut noll. "Det är den kallaste bildningen av en kemisk bindning som någonsin observerats i molekylära strålar, "säger Osterwalder. En molekylär stråle är en gasstråle inuti en vakuumkammare, används ofta i spektroskopi och studier i grundläggande kemi.

Forskarna har använt två sådana strålar som går samman till en enda stråle för att studera kemi-jonisering, en grundläggande energioverföringsprocess som används i flera applikationer, t.ex. i masspektrometri. Under kemi-jonisering, en atom eller molekyl i gasfasen reagerar med en annan atom eller molekyl i ett upphetsat tillstånd och skapar en jon. Den resulterande jonens identitet beror på reaktionen, en ny bindning kan bildas under kollisionen, vilket resulterar i en molekylär jon, annars kan en atomjon bildas

Forskarna studerade reaktionen mellan två gaser:en upphetsad neonatom och en atom av argon. Deras apparat innehåller ett par magnetventiler som används för att exakt ställa in riktningen för ett magnetfält där reaktionen äger rum, vilket gjorde det möjligt för forskarna att styra den faktiska orienteringen av de två atomerna i förhållande till varandra. "Även om atomer ofta representeras som små kulor, de är normalt inte sfäriska föremål, "säger Osterwalder." Just för att de inte är det, de har specifika inriktningar, och detta kan påverka deras reaktivitet. "

Men även om experimentet kunde styra orienteringen som i sin tur styrde mängden atom vs molekyljoner bildade från kemi-joniseringen, fann forskarna att under en temperatur på cirka 20 Kelvin (- 253,15 ° C), de interatomiska krafterna tog över och atomerna orienterade sig oberoende av det tillämpade fältet.

"Det här är första gången någon gör detta vid så låg temperatur, "säger Osterwalder." Med denna kontrollnivå, vi kan studera några av de mest grundläggande modellerna i kemins kärna, till exempel förhållandet mellan orientering och reaktivitet. "