Quando as moléculas interagem com superfícies sólidas, toda uma gama de processos dinâmicos pode ocorrer. Estes são de enorme interesse no contexto de reações catalíticas, por exemplo. a conversão de gás natural em hidrogênio que pode então ser usado para gerar eletricidade limpa.

Especificamente, a interação das moléculas de metano com a superfície do catalisador, como o níquel, é de interesse se quisermos obter uma compreensão detalhada e significativa do processo em nível molecular. Mas estudar a dinâmica de espalhamento de moléculas poliatômicas como o metano tem sido um desafio porque as técnicas de detecção atuais são incapazes de resolver todos os estados quânticos das moléculas espalhadas.

O laboratório de Rainer Beck na EPFL agora usou novas técnicas de laser infravermelho para estudar a dispersão de metano em uma superfície de níquel pela primeira vez com resolução de estado quântico total. As técnicas de resolução de estado quântico contribuíram muito para a nossa compreensão da dinâmica de espalhamento de superfície, mas a inovação aqui foi que a equipe da EPFL foi capaz de estender esses estudos ao metano combinando lasers infravermelhos com um bolômetro criogênico:um detector de calor altamente sensível resfriado a 1,8 K que pode captar a energia cinética e interna das moléculas de metano que chegam.

Em seus experimentos, um poderoso laser infravermelho primeiro bombeia as moléculas de metano incidentes em um único estado quântico vibracionalmente excitado. Um segundo laser combinado com o bolômetro é então usado para analisar a distribuição do estado quântico das moléculas dispersas. Com esta abordagem, os cientistas observaram, pela primeira vez, um mecanismo altamente eficiente para redistribuição de energia vibracional durante o espalhamento de superfície.

Os dados do estudo permitirão que teorias quânticas do estado da arte para espalhamento de molécula / superfície sejam testadas com rigor. Enquanto isso, a nova técnica de marcação a laser introduzida neste trabalho é amplamente aplicável e pode ser usada para estudar muitos outros sistemas de moléculas / superfícies poliatômicas com detalhes sem precedentes.