El gas natural se utiliza en las refinerías como base para productos como el acetileno. La eficiencia de las reacciones gaseosas depende de la dinámica de las moléculas:su rotación, vibración y traslación (movimiento direccional). Estos movimientos proporcionan la energía cinética para impulsar reacciones. Al comprender la dinámica de los gases, los investigadores pueden diseñar sistemas industriales más eficientes y respetuosos con el medio ambiente.

Las moléculas de gas se pueden estudiar mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). A diferencia de la microscopía óptica, TEM usa un haz de electrones en lugar de luz, y tiene una resolución mucho más alta, capaz de visualizar átomos individuales. Un estudio reciente publicado en Informes científicos informa el trabajo de un equipo del Instituto de Ciencias Industriales (IIS) de la Universidad de Tokio en colaboración con Hitachi High-Technologies Corp. Los investigadores utilizaron una versión avanzada de TEM para estudiar la dinámica de gases simples a alta temperatura.

"En TEM, el haz de electrones energéticos se puede utilizar para realizar otro experimento al mismo tiempo, conocida como estructura cercana al borde de pérdida de energía [ELNES], "dice el primer autor Hirotaka Katsukura." Los electrones en el haz ceden parte de su energía cinética al pasar a través de la muestra. La medición de esta pérdida de energía revela qué elementos están presentes y cómo se unen entre sí ".

En teoria, ELNES también puede medir la dinámica de moléculas de gas, no solo su enlace químico. Sin embargo, los investigadores nunca antes habían extraído información dinámica de ELNES. El equipo de IIS eligió cuatro gases:oxígeno, metano, nitrógeno y monóxido de carbono, cuya unión se conoce bien, y realizó ELNES a temperatura ambiente y 1, 000 ° C. Crucialmente, también realizaron simulaciones por computadora de estos gases, usando código de dinámica molecular, para predecir teóricamente los efectos de las altas temperaturas.

Generalmente, cuando las moléculas se calientan, vibran más rápido y los enlaces entre sus átomos se alargan. En los experimentos de IIS, dos gases, oxígeno y metano, lo hicieron, Por supuesto, mostrar cambios dinámicos a alta temperatura, con vibración significativamente más rápida. Sin embargo, el nitrógeno y el monóxido de carbono no parecían vibrar de manera diferente a 1000 ° C, a pesar de su energía cinética adicional. Es más, la vibración simulada de metano a alta temperatura coincidió muy de cerca con los experimentos, pero se sobrestimó la vibración del oxígeno caliente.

"Las moléculas de gas en un calentador pueden ganar energía cinética de tres formas, "dice el autor correspondiente Teruyasu Mizoguchi." A saber, rebotando unos contra otros, tocando directamente el elemento calefactor, o absorbiendo calor indirectamente a través de rayos infrarrojos. Este último solo es posible para gases con enlaces químicos polares, donde un elemento aleja los electrones del otro. Eso se aplica al metano (CH4), pero no oxigeno, un elemento puro. Por lo tanto, el oxígeno se calentó más lento de lo que predijeron las simulaciones ".

Mientras tanto, el hecho de que el nitrógeno y el monóxido de carbono no experimentaran excitación vibratoria también fue el resultado de sus enlaces; sin embargo, en este caso, simplemente eran demasiado rígidos para vibrar mucho más rápido. Estos hallazgos subrayan la importancia de tener en cuenta los enlaces químicos, incluso para procesos aparentemente simples como la vibración de una molécula de dos átomos.

Sin embargo, el equipo cree que los rápidos desarrollos en ELNES pronto harán que el método sea lo suficientemente sensible como para detectar cambios vibratorios incluso en moléculas rígidas. Esto abrirá el camino hacia una mejor comprensión de las reacciones de los gases a nivel atómico.