Il gas naturale viene utilizzato nelle raffinerie come base per prodotti come l'acetilene. L'efficienza delle reazioni gassose dipende dalla dinamica delle molecole:la loro rotazione, vibrazione e traslazione (movimento direzionale). Questi movimenti forniscono l'energia cinetica per guidare le reazioni. Comprendendo la dinamica dei gas, i ricercatori possono progettare sistemi industriali più efficienti e rispettosi dell'ambiente.

Le molecole di gas possono essere studiate utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione (TEM). A differenza della microscopia ottica, TEM utilizza un fascio di elettroni invece della luce, e ha una risoluzione molto più alta, in grado di visualizzare singoli atomi. Un recente studio pubblicato su Rapporti scientifici riporta il lavoro di un team dell'Istituto di scienze industriali (IIS) dell'Università di Tokyo che collabora con Hitachi High-Technologies Corp. I ricercatori hanno utilizzato una versione avanzata di TEM per studiare la dinamica di gas semplici ad alta temperatura.

"Nel TEM, il fascio di elettroni energetico può essere utilizzato per eseguire un altro esperimento contemporaneamente, nota come struttura near-edge a perdita di energia [ELNES], " dice il primo autore Hirotaka Katsukura. "Gli elettroni nel raggio cedono parte della loro energia cinetica mentre passano attraverso il campione. Misurare questa perdita di energia rivela quali elementi sono presenti e come sono legati gli uni agli altri".

In teoria, ELNES può anche misurare la dinamica delle molecole di gas, non solo il loro legame chimico. Però, i ricercatori non avevano mai estratto informazioni dinamiche da ELNES prima. Il team dell'IIS ha scelto quattro gas:ossigeno, metano, azoto e monossido di carbonio, il cui legame è ben compreso, ed eseguito ELNES a temperatura ambiente e 1, 000°C. In modo cruciale, hanno anche eseguito simulazioni al computer di questi gas, utilizzando il codice di dinamica molecolare, prevedere teoricamente gli effetti dell'alta temperatura.

In genere, quando le molecole vengono riscaldate, vibrano più velocemente e i legami tra i loro atomi si allungano. Negli esperimenti IIS, due gas, ossigeno e metano, lo hanno fatto, infatti, mostrano cambiamenti dinamici ad alta temperatura, con vibrazioni notevolmente più veloci. Però, azoto e monossido di carbonio non sembravano vibrare diversamente a 1000°C, nonostante la loro energia cinetica extra. Inoltre, la vibrazione simulata ad alta temperatura del metano corrispondeva molto agli esperimenti, ma la vibrazione dell'ossigeno caldo era sopravvalutata.

"Le molecole di gas in un riscaldatore possono guadagnare energia cinetica in tre modi, " dice l'autore corrispondente Teruyasu Mizoguchi. "Ovvero, rimbalzando l'uno nell'altro, toccando direttamente l'elemento riscaldante, oppure assorbendo indirettamente calore tramite raggi infrarossi. Quest'ultimo è possibile solo per gas con legami chimici polari, dove un elemento allontana gli elettroni dall'altro. Questo vale per il metano (CH4), ma non ossigeno, un elemento puro. Perciò, l'ossigeno si è riscaldato più lentamente di quanto previsto dalle simulazioni".

Nel frattempo, l'incapacità di azoto e monossido di carbonio di subire l'eccitazione vibrazionale era anche il risultato dei loro legami, tuttavia, in questo caso, erano semplicemente troppo rigidi per vibrare molto più velocemente. Questi risultati sottolineano l'importanza di prendere in considerazione il legame chimico, anche per processi apparentemente semplici come la vibrazione di una molecola a due atomi.

Ciò nonostante, il team ritiene che i rapidi sviluppi di ELNES renderanno presto il metodo abbastanza sensibile da rilevare i cambiamenti vibrazionali anche nelle molecole rigide. Questo aprirà la strada a una migliore comprensione delle reazioni dei gas a livello atomico.