Forskare letar ständigt efter källan till saker som universums ursprung, materia eller liv. Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, i ett samarbete med Massachusetts Institute of Technology (MIT) och flera andra universitet, har visat ett sätt att experimentellt upptäcka den mest dolda aspekten av alla kemiska reaktioner – det extremt kortlivade övergångstillstånd som inträffar vid deras initiering. Denna avgörande upptäckt kan bli avgörande för att få förmågan att förutsäga och externt kontrollera resultaten av kemiska processer.

"Övergångstillståndet är nyckeln i all kemi eftersom det styr produkterna av molekylära reaktioner, " sa Kirill Prozument, huvudförfattare och kemist i Argonnes avdelning för kemivetenskap och teknik. Beväpnad med mer fullständig kunskap om vissa kemiska reaktioner från övergångstillståndet, forskare kanske kan förbättra industriella processer som involverar produktion av enorma mängder kemikalier - vilket sparar enorma mängder energi och pengar, samt minska avfallet. Samma princip kan också finna tillämpning i syntesen av nya, livräddande droger.

Livet för denna övergångsfas är kort, så kort som kvadrilliondelar av en sekund. Problemet har varit att det inte har varit möjligt att experimentellt observera strukturen i denna flyktiga stat eller ens att extrahera tillräckliga detaljer om den indirekt från de kemiska produkter som skapas av den, tills nu.

"Fysiker kan inte direkt observera Big Bang, som hände för nästan 14 miljarder år sedan, eller övergångstillståndet som ledde till bildandet av vårt universum, " förklarade Prozument. "Men de kan mäta olika budbärare kvar från Big Bang, såsom den nuvarande fördelningen av materia, och därigenom avslöja många saker om ursprunget och utvecklingen av vårt universum. En liknande princip gäller för kemister som studerar reaktioner."

Centralt för denna prestation är lagets experimentella teknik, pip-puls millimetervågspektroskopi, som möjliggör karakterisering av flera konkurrerande övergångstillstånd på basis av vibrationsexciterade molekyler som resulterar i omedelbara efterdyningar av en reaktion. Denna teknik är oöverträffad i sin precision när det gäller att bestämma molekylstruktur och lösa övergångar som härrör från olika vibrationsenerginivåer hos produktmolekylerna.

Många händer bidrog till förfining av denna experimentella teknik för att utöka dess omfattning från mikrovågsugn till millimeterregion, inklusive Prozument och Robert Field, Robert T. Haslam och Bradley Dewey professor i kemi vid MIT och senior författare på studien.

Med denna kraftfulla teknik, teamet analyserade reaktionen mellan vinylcyanid och ultraviolett ljus producerat av en speciell laser, som bildar olika produkter som innehåller väte, kol och kväve. De kunde mäta vibrationsenergierna förknippade med de nybildade produktmolekylerna och fraktionerna av molekyler i olika vibrationsnivåer. Den förra indikerar amplituderna för vilka atomer inom en molekyl som rör sig i förhållande till varandra. Den senare ger information om geometrin hos grupper av atomer i övergångstillståndet när de föder en produktmolekyl - i det här fallet, graden av böjexcitation i bindningsvinkeln mellan vätet, kol- och kväveatomer. Baserat på deras mått, teamet identifierade två övergångstillstånd som styr olika vägar genom vilka molekylen cyanväte (HCN) kommer till liv från reaktionen.

"Vårt arbete visar att den experimentella tekniken fungerar i princip, "Nästa steg kommer att vara att tillämpa det på mer komplexa reaktioner och olika molekyler." Teamets arbete kan alltså en dag få stor inverkan på kemiområdet.

Artikeln med titeln "Photodissociation transition states characterized by chirped pulse millimeter wave spectroscopy" dök upp den 7 januari, 2020 års nummer av Förfaranden från National Academy of Sciences .