Vad händer när en molekyl kolliderar med en yta? Forskare vid Swansea University har visat att molekylens orientering när den rör sig - oavsett om den snurrar som ett helikopterblad eller rullar som ett vagnhjul - är viktigt för att avgöra vad som händer vid kollisionen.

Interaktionen mellan molekyler och ytor är kärnan i många forskningsområden och tillämpningar:växtgödsel och kemikalier, industriella katalysatorer, atmosfäriska kemiska reaktioner på is- och dammpartiklar, och till och med - i rymden - de processer genom vilka en stjärna föds.

En nyckelfråga inom ytvetenskap är att förstå om en molekyl, när den kolliderar med en yta, kommer att spridas tillbaka till gasfasen, adsorberas på ytan, eller reagera och bryta ner i fragment.

En molekylär egenskap som kan förändra resultatet av en kollision är molekylens rotationsorientering. Dock, den nuvarande förståelsen för detta förhållande är mycket begränsad, eftersom det vanligtvis är omöjligt att kontrollera eller mäta orienteringen av en roterande molekyl.

Det är här Swansea -teamets forskning kommer in. Teamet, ledd av professor Gil Alexandrowicz från Swansea University chemistry department, har utvecklat en ny typ av experiment som gjorde det möjligt för dem att bedöma två saker:

1. hur molekylens rotationsorientering, strax före kollisionen, ändrar spridningssannolikheterna; och då
2. hur kollisionen i sin tur förändrar orienteringen av molekylerna som kastas tillbaka till gasfasen.

Experimenten utförda av Yosef Alkoby, en doktorsexamen elev i gruppen, använde magnetfält för att styra rotationskvanttillstånden för vätemolekyler före och efter att ha kolliderat med ytan av en saltkristall.

En kvantmekanisk simulering, utvecklad av Dr Helen Chadwick, användes för att extrahera spridningsmatrisen från mätningen. Detta är en detaljerad beskrivning som avslöjar exakt hur rotationsorientering påverkar kollisionen och hur kollisionen förändrar hur molekylerna roterar.

Tills nu, spridningsmatriser kunde endast uppskattas utifrån teoretiska beräkningar. I deras nya tidning, Swansea -teamet har för första gången visat en experimentell bestämning av en spridningsmatris, öppna nya möjligheter för att studera och modellera molekyl-yta-interaktioner.

Viktiga fynd var:

• Molekyl-ytinteraktionspotentialen för väte med litiumfluorid beror starkt på vätemolekylernas rotationsorientering.
• Spridningsmatrisen som erhållits från experimenten bekräftar att kollisioner av väte med litiumfluorid kan förändra molekylens rotationsorientering och ger den information som behövs för att använda denna enkla saltyta för att rotationsrikta vätemolekyler.
• Spridningsmatrisen från experimentet ger ett extremt strikt riktmärke som kommer att styra utvecklingen av exakta teoretiska modeller.

Professor Gil Alexandrowicz från Swansea University College of Science, ledande forskare, sa:

"Vår forskning rapporterar en ny typ av molekyl-yta-kollisionsexperiment. Vi undersökte orienteringen av en roterande grundtillståndsmolekyl som närmar sig en yta och hur detta förändrar kollisionshändelsen.

Att kunna modellera resultatet av en molekyl-yta-kollision ger värdefull insikt för många studieområden. Men även modellering av den enklaste molekylen, H ₂ , med en metallyta noggrant utgör fortfarande en betydande utmaning.

För att utveckla exakta modeller, det är avgörande att ha resultat från grundläggande ytvetenskapliga experiment för att jämföra teoretiska beskrivningar mot.

Våra resultat ger ett nytt och särskilt känsligt riktmärke för teoriutveckling, som förmågan att beräkna kollisionen och framgångsrikt reproducera den experimentellt bestämda spridningsmatrisen, kräver en särskilt noggrann modell för molekyl-ytinteraktionen. "