Met een cirkelvormige proefopstelling is het wetenschappers van het Fritz-Haber-Institut in Berlijn gelukt om een bundel moleculen over grote afstand gefocust te houden. Het ‘moleculaire synchrotron’ maakt experimenten met koude botsingen tussen moleculen mogelijk.

Het ringvormige apparaat heeft een doorsnede van 50 cm en bestaat uit veertig elektrostatische hexapolen. Elk van deze onderdelen werkt als een convergerende lens op polaire moleculen als water of ammoniak, waarbij de zwaartepunten van de positieve en negatieve lading niet samenvallen. Elke hexapool bestaat uit zes elektrische polen, afwisselend positief en negatief geladen.

Dit ingewikkelde elektrische veld is nodig omdat moleculen die elektrisch neutraal zijn, geen coulombkracht ondervinden. Een elektrische dipool, zoals een polair molecuul, voelt echter wel een kracht in een elektrisch veld met een gradiënt, volgt uit de Maxwellvergelijkingen.

De geschiedenis van de  wiskunde is diverser dan je denkt
LEES OOK

De geschiedenis van de wiskunde is diverser dan je denkt

Wiskunde is niet alleen afkomstig van de oude Grieken. Veel van onze kennis komt van elders, waaronder het oude China, India en het Arabisch Schiereil ...

Hierdoor loopt bij kamertemperatuur een geïnjecteerde bundel moleculen van 3 mm breed met een snelheid van 120 m/s rond in de ring, waar vacuüm heerst. De hexapolen duwen de deeltjes de bocht om en zorgen ervoor dat de bundel netjes zijn oorspronkelijke breedte houdt.

‘Het probleem is dat er geen kracht is die de moleculen in de lengterichting bij elkaar houdt’, zegt dr. Bas van de Meerakker van de onderzoeksgroep Cold and Controlled Collisions. Daardoor gaan de deeltjes die de ring iets sneller waren binnengekomen, voor de rest uit lopen. ‘Als de bundel maar voldoende rondjes heeft afgelegd, zijn de moleculen over de hele ring uitgesmeerd en is eigenlijk niet meer te spreken van een bundel.’

Om de deeltjes in het gareel te houden bevinden zich tussen de hexapolen openingen, waarin een elektrisch veld de snelst lopende moleculen afremt en de langzaamste versnelt. De bundel wordt zo steeds gedurende een paar honderd nanoseconden samengeknepen. Af en toe botsen moleculen op deeltjes die rondzwerven, omdat het vacuüm niet volmaakt is. Uit experimenten blijkt dat de bundel deeltjes over meer dan 1,5 km goed gedefinieerd blijft.

BILJARTBALLEN
Het apparaat, dat is ontworpen door ing. André van Roij van de Radboud Universiteit Nijmegen, gaat dienen voor fundamenteel onderzoek naar moleculen in de gasfase. Chemici willen graag weten wat er gebeurt als moleculen met lage snelheid op elkaar botsen. Ze gedragen zich dan namelijk minder als klassiek botsende biljartballen; het kwantummechnische golfgedrag gaat een grotere rol spelen.

Er treden bij heel nauw gedefinieerde snelheden botsingsresonanties op, waarbij de kans op botsingen veel groter is dan bij andere snelheden. Dit betekent dat chemische reacties sneller verlopen, wat bijvoorbeeld kan leiden tot nieuwe complexe moleculen.

Ook hoopt Van de Meerakker met de botsproeven theoretische berekeningen te kunnen toetsen. ‘Die zijn enorm lastig. Botsingen van eenvoudige deeltjes zijn al moeilijk om precies te berekenen, laat staan van moleculen met hun vele vrijheidsgraden.’

Voor deze experimenten worden twee verschillende bundels moleculen in tegengestelde richting in de ring te geïnjecteerd. Doordat deze bundels elkaar vele malen tegenkomen – in 15 s zo’n 40 000 keer – is de kans op botsingen relatief groot. In elk geval groter dan bij de alternatieve manier om dit soort botsingen te bestuderen, waarbij wetenschappers de moleculen onder een rechte hoek met elkaar in botsing brengen.

Voor het injecteren van een tweede soort moleculen in de ring bouwt de onderzoeksgroep een tweede lineaire versneller. Ook zijn er plannen om de gehele ring te koelen met vloeibare stikstof om de temperatuurstraling van het apparaat sterk te verminderen. ‘Die brengt regelmatig moleculen uit de bundel in een hogere toestand en is er zo medeschuldig aan dat na enkele seconden de bundel niet meer van optimale kwaliteit is’, aldus Van de Meerakker.