Cold molecular reactions


Project leader


Funding source

Swedish Research Council - Vetenskapsrådet (VR)


Project Details

Start date: 01/02/2013
End date: 31/12/2017
Funding: 3900000 SEK


Description

En av de mest grundläggande fysikaliska lagarna kallas Coulombs lag. Den beskriver hur två partiklar med motsatt laddning attraherar varandra med en kraft som är proportionell mot laddningarnas storlek och avtar med kvadraten på avståndet mellan laddningarna. Positivt och negativt laddade atomer och molekyler (joner) växelverkar därför mycket starkare på nanometernivå jämfört med om en eller båda partiklarna saknar laddning. I det här projektet kommer det att vara möjligt att på ett kontrollerat sätt studera denna växelverkan och dess konsekvenser då två molekylära joner kolliderar med så låga energier att jonerna nästan står stilla i förhållande till varandra. Detta sker i en miljö som är kall (10 K) och som har en extremt låg täthet, vilket också gör den ideal för att undersöka hur jonerna absorberar och reagerar på elektromagnetisk strålning och för att studera svagt bundna molekylära system i en i princip ostörd miljö. En viktig del av projektet är att utveckla modeller som kan användas för att hjälpa till att tolka experimentella resultat. I detta sammanhang är det en stor fördel att molekylerna är kalla före reaktionerna eftersom det då är mycket lättare att få tillförlitliga resultat med hjälp av moderna teoretiska verktyg och kraftfulla datorer än om man måste ta hänsyn till breda interna energifördelningar hos varma molekyler. En del av projektet syftar till att undersöka hur positivt och negativt laddade molekyler kommunicerar med varandra genom att energi och partiklar överförs och kemiska bindningar skapas mellan molekylerna. Detta kan bidra till att öka kunskapen om hur molekyler bildas och reagerar i naturen och i konstgjorda processer. Trots att mycket arbete redan har lagts ner råder det för tillfället inget samförstånd i forskarsamhället om hur t.ex. slutna kolstrukturer (fullerener) egentligen bildas på en molekylär nivå och varför vissa fullerener bildas lättare än andra i t.ex. en ljuslåga. Fullerener är de största av de drygt 150 molekyler som hittills har identifierats i rymden och återfinns i både vätefattiga och väterika områden, vilket väcker nya frågor om hur de skapas och samexisterar med polycykliska aromatiska kolväten (PAHs) som har en struktur som motsvarar ett litet flak av ett enskilt atomlager grafit (grafen) med väteatomer bundna till dess rand. PAHs tros binda upp mer än 5% av allt kol i universum och antas spela nyckelroller i interstellära gasmoln. Nära släktingar till de aminosyror som proteiner består av har även identifierats i rymden, vilket öppnar upp för möjligheten att livets byggstenar kan ha extraterrestriellt ursprung. Hur komplexa molekyler överlever i sådana miljöer och vad förutsättningarna är för att bygga ännu större strukturer är exempel på öppna frågeställningar där projektet kan komma att bidra med viktiga pusselbitar. En annan del av projektet syftar till att studera egenskaper hos löst bundna molekylära system, vilka i detta fall skapas genom att negativt laddade elektroner binds till neutrala molekyler. Om det är två eller flera elektroner kommer en repellerande Coulombkraft verka mellan elektronerna, men för tillräckligt stora molekylära system är denna kraft inte tillräcklig för att en elektron ska ta sig över den energibarriär som krävs för att den omedelbart ska lämna molekylen. Istället bestäms dess öde av en kvantmekanisk effekt som kallas tunnling, där tjockleken på barriären bestämmer systemets livstid - vilket då i princip kan motsvara universums ålder! Med hjälp av de väldefinierade experimentella villkoren kommer livstiden på sådana enskilda system att mätas och vad som händer då de värms upp med laserljus att undersökas. Detta kommer att bidra till att öka den grundläggande förståelsen för växelverkan mellan elektronerna, vilket exempelvis kan vara viktigt för att förstå laddningskommunikationen i nanotrådar gjorda av DNA-molekyler. Med modern teknik är det nu även möjligt att "klippa ut" en del av en DNA-stege och klä den med ett väldefinierat antal lösningsmolekyler som t.ex. vatten. I den tredje delen av projektet kommer vi att utnyttja detta för att studera biomolekyler i gasform och i nanolösningar med syfte att öka den grundläggande kunskapen om energiöverföringsprocesser och dess konsekvenser i sådana system. Detta kan hjälpa till att bättre förstå strålskadeprocesser på en molekylär nivå och hur viktig den närliggande miljön är för att skydda enskilda DNA- och proteinbyggstenar.

Last updated on 2017-22-03 at 07:13