Pipande, grumliga eller sfäriska – elektronorbitaler visar var och hur elektroner rör sig runt atomkärnor och molekyler. Inom modern kemi och fysik har de visat sig vara en användbar modell för kvantmekanisk beskrivning och förutsägelse av kemiska reaktioner. Bara om orbitalerna matchar i rymden och energin kan de kombineras – det är vad som händer när två ämnen reagerar med varandra kemiskt. Dessutom finns det ytterligare ett villkor som måste uppfyllas, vilket forskare vid Forschungszentrum Jülich och universitetet i Graz nu har upptäckt:Förloppet av kemiska reaktioner tycks också vara beroende av omloppsfördelningen i momentumrymden. Resultaten publicerades i tidskriften Nature Communications .

Kemiska reaktioner är i slutändan inget annat än bildning och nedbrytning av elektronbindningar, som också kan beskrivas som orbitaler. Den så kallade molekylorbitalteorin gör det alltså möjligt att förutsäga kemiska reaktioners väg. Kemister Kenichi Fukui och Roald Hoffmann fick Nobelpriset 1981 för att de kraftigt förenklade metoden, vilket ledde till att den användes och användes i stor utsträckning.

"Vanligtvis analyseras energin och placeringen av elektroner. Men med hjälp av fotoemissionstomografimetoden tittade vi på rörelsemängdsfördelningen av orbitaler," förklarar Dr. Serguei Soubatch. Tillsammans med sina kollegor vid Peter Grünberg-institutet (PGI-3) i Jülich och universitetet i Graz i Österrike adsorberade han olika typer av molekyler på metallytor i en serie experiment och kartlade det uppmätta momentumet i det så kallade momentumrummet .

"Fotomission från många olika molekyler på metaller som vi mäter kan också förutsägas teoretiskt. Som modell använder man helt enkelt den fria molekylen som inte interagerar med metallen. Men när vi mätte oligofenyler på koppar insåg vi plötsligt att det experimentella resultatet skilde sig avsevärt från de teoretiska förutsägelserna. Vissa delar av momentumutrymmet förblev obemannat," sa Soubatch. Dessa momentumregioner matchar kända bandgap för elektroniska tillstånd som typiskt förekommer i ädelmetaller. Och ett av de inblandade materialen, koppar, är också en sådan ädel metall.

För arbetet genomförde forskarna experiment vid Elettra Synchrotron i Trieste, Italien. Där driver ett internationellt konsortium under ledning av Forschungszentrum Jülich NanoESCA-spektroskopet vid en strållinje, som innehåller ett fotoemissionselektronmikroskop för orbitala tomografiska mätningar. Arbetet utfördes i samarbete med Prof. Michael. G. Ramsey och teoretikern Prof. Peter Puschnig från universitetet i Graz. Med sina kvantmekaniska simuleringar för hela det interagerande systemet – molekyler och metallyta, gav Peter Puschnig nyckeln till att förklara det nyupptäckta urvalskriteriet. + Utforska vidare

Testning visar att orbital tomografi med fotoemission kan detektera sigma-orbitaler