Cosa succede quando una molecola si scontra con una superficie? I ricercatori della Swansea University hanno dimostrato che l'orientamento della molecola mentre si muove, sia che ruoti come la pala di un elicottero o rotoli come una ruota di carro, sia importante per determinare cosa succede nella collisione.

L'interazione delle molecole con le superfici è al centro di molti campi di ricerca e applicazioni:fertilizzanti vegetali e prodotti chimici, catalizzatori industriali, reazioni chimiche atmosferiche su ghiaccio e particelle di polvere, e anche, nello spazio, i processi attraverso i quali nasce una stella.

Una domanda chiave nel campo della scienza delle superfici è capire se una molecola, quando si scontra con una superficie, si disperderà di nuovo alla fase gassosa, adsorbire in superficie, o reagire e rompersi in frammenti.

Una proprietà molecolare che può cambiare l'esito di una collisione è l'orientamento rotazionale della molecola. Però, l'attuale comprensione di questa relazione è molto limitata, poiché di solito è impossibile controllare o misurare l'orientamento di una molecola rotante.

È qui che entra in gioco la ricerca del team di Swansea. Il team, guidato dal professor Gil Alexandrowicz del dipartimento di chimica dell'Università di Swansea, ha sviluppato un nuovo tipo di esperimento che ha permesso loro di valutare due cose:

1. come l'orientamento rotazionale della molecola, poco prima della collisione, cambia le probabilità di dispersione; poi
2. come la collisione a sua volta modifica l'orientamento delle molecole espulse di nuovo nella fase gassosa.

Gli esperimenti eseguiti da Yosef Alkoby, un dottorato di ricerca studente del gruppo, utilizzava campi magnetici per controllare gli stati quantici rotazionali delle molecole di idrogeno prima e dopo la collisione con la superficie di un cristallo di sale.

Una simulazione di meccanica quantistica, sviluppato dalla dottoressa Helen Chadwick, è stato utilizzato per estrarre la matrice di scattering dalla misurazione. Questo è un descrittore dettagliato che rivela esattamente come l'orientamento della rotazione influenza la collisione e come la collisione cambia il modo in cui le molecole ruotano.

Fino ad ora, matrici di scattering potevano essere stimate solo da calcoli teorici. Nel loro nuovo documento, il team di Swansea ha dimostrato per la prima volta una determinazione sperimentale di una matrice di scattering, aprendo nuove opportunità per lo studio e la modellazione delle interazioni molecola-superficie.

I risultati chiave sono stati:

• Il potenziale di interazione molecola-superficie dell'idrogeno con il fluoruro di litio dipende fortemente dall'orientamento rotazionale delle molecole di idrogeno.
• La matrice di dispersione ottenuta dagli esperimenti conferma che le collisioni dell'idrogeno con il fluoruro di litio possono modificare l'orientamento rotazionale della molecola e fornisce le informazioni necessarie per utilizzare questa semplice superficie di sale per orientare in modo rotazionale le molecole di idrogeno.
• La matrice di scattering ottenuta dall'esperimento fornisce un benchmark estremamente rigoroso che guiderà lo sviluppo di modelli teorici accurati.

Professor Gil Alexandrowicz del College of Science dell'Università di Swansea, ricercatore capo, disse:

"La nostra ricerca riporta un nuovo tipo di esperimento di collisione molecola-superficie. Abbiamo esaminato l'orientamento di una molecola di stato fondamentale rotante che si avvicina a una superficie e come questo cambia l'evento di collisione.

Essere in grado di modellare l'esito di una collisione molecola-superficie fornisce preziose informazioni per molti campi di studio. Eppure, anche modellando la molecola più semplice, h ₂ , con una superficie metallica con precisione rappresenta ancora una sfida significativa.

Per sviluppare modelli accurati, è fondamentale avere risultati da esperimenti fondamentali di scienza di superficie per confrontare le descrizioni teoriche contro.

I nostri risultati forniscono un nuovo punto di riferimento particolarmente sensibile per lo sviluppo della teoria, come la capacità di calcolare la collisione e riprodurre con successo la matrice di scattering determinata sperimentalmente, richiede un modello particolarmente accurato per l'interazione molecola-superficie. "