O que acontece quando uma molécula colide com uma superfície? Pesquisadores da Swansea University mostraram que a orientação da molécula conforme ela se move - seja ela girando como uma lâmina de helicóptero ou como uma estrela - é importante para determinar o que acontece na colisão.

A interação das moléculas com as superfícies está no cerne de muitos campos de pesquisa e aplicações:fertilizantes e produtos químicos para plantas, catalisadores industriais, reações químicas atmosféricas em partículas de gelo e poeira, e até mesmo - no espaço - os processos pelos quais uma estrela nasce.

Uma questão chave no campo da ciência de superfície é entender se uma molécula, quando colide com uma superfície, vai se espalhar de volta para a fase gasosa, adsorver na superfície, ou reagem e se decompõem em fragmentos.

Uma propriedade molecular que pode alterar o resultado de uma colisão é a orientação rotacional da molécula. Contudo, o entendimento atual desta relação é muito limitado, como geralmente é impossível controlar ou medir a orientação de uma molécula em rotação.

É aqui que entra a pesquisa da equipe de Swansea. A equipe, liderado pelo Professor Gil Alexandrowicz do departamento de química da Swansea University, desenvolveu um novo tipo de experimento que lhes permitiu avaliar duas coisas:

1. como a orientação rotacional da molécula, pouco antes da colisão, muda as probabilidades de espalhamento; e então
2. como a colisão, por sua vez, muda a orientação das moléculas ejetadas de volta à fase gasosa.

Os experimentos realizados por Yosef Alkoby, um Ph.D. estudante no grupo, usou campos magnéticos para controlar os estados quânticos rotacionais das moléculas de hidrogênio antes e depois da colisão com a superfície de um cristal de sal.

Uma simulação de mecânica quântica, desenvolvido pela Dra. Helen Chadwick, foi usado para extrair a matriz de espalhamento da medição. Este é um descritor detalhado que revela exatamente como a orientação de rotação afeta a colisão e como a colisão muda a forma como as moléculas giram.

Até agora, matrizes de espalhamento só podiam ser estimadas a partir de cálculos teóricos. Em seu novo jornal, a equipe Swansea demonstrou pela primeira vez uma determinação experimental de uma matriz de espalhamento, abrindo novas oportunidades para estudar e modelar as interações molécula-superfície.

As principais descobertas foram:

• O potencial de interação molécula-superfície do hidrogênio com o fluoreto de lítio depende fortemente da orientação rotacional das moléculas de hidrogênio.
• A matriz de espalhamento obtida a partir dos experimentos confirma que as colisões de hidrogênio com fluoreto de lítio podem alterar a orientação rotacional da molécula e fornece as informações necessárias para usar esta superfície de sal simples para orientar rotacionalmente as moléculas de hidrogênio.
• A matriz de espalhamento obtida a partir do experimento fornece um benchmark extremamente rigoroso que irá guiar o desenvolvimento de modelos teóricos precisos.

Professor Gil Alexandrowicz da Swansea University College of Science, pesquisador principal, disse:

"Nossa pesquisa relata um novo tipo de experimento de colisão molécula-superfície. Examinamos a orientação de uma molécula do estado fundamental em rotação se aproximando de uma superfície e como isso muda o evento de colisão.

Ser capaz de modelar o resultado de uma colisão molécula-superfície produz insights valiosos para muitos campos de estudo. No entanto, mesmo modelando a molécula mais simples, H ₂ , com uma superfície de metal com precisão ainda representa um desafio significativo.

Para desenvolver modelos precisos, é crucial ter resultados de experimentos de ciência de superfície fundamentais para comparar as descrições teóricas.

Nossos resultados fornecem um marco de referência novo e particularmente sensível para o desenvolvimento de teoria, como a capacidade de calcular a colisão e reproduzir com sucesso a matriz de espalhamento determinada experimentalmente, requer um modelo particularmente preciso para a interação molécula-superfície. "