¿Qué sucede cuando una molécula choca con una superficie? Investigadores de la Universidad de Swansea han demostrado que la orientación de la molécula a medida que se mueve, ya sea girando como la pala de un helicóptero o rodando como una rueda de carro, es importante para determinar qué sucede en la colisión.

La interacción de moléculas con superficies se encuentra en el corazón de muchos campos de investigación y aplicaciones:fertilizantes y productos químicos para plantas, catalizadores industriales, reacciones químicas atmosféricas sobre hielo y partículas de polvo, e incluso —en el espacio— los procesos a través de los cuales nace una estrella.

Una cuestión clave en el campo de la ciencia de superficies es comprender si una molécula, cuando choca con una superficie, se dispersará de nuevo a la fase gaseosa, adsorber en la superficie, o reaccionar y romper en fragmentos.

Una propiedad molecular que puede cambiar el resultado de una colisión es la orientación rotacional de la molécula. Sin embargo, la comprensión actual de esta relación es muy limitada, ya que normalmente es imposible controlar o medir la orientación de una molécula en rotación.

Aquí es donde entra en juego la investigación del equipo de Swansea. El equipo, dirigido por el profesor Gil Alexandrowicz del departamento de química de la Universidad de Swansea, ha desarrollado un nuevo tipo de experimento que les permitió evaluar dos cosas:

1. cómo la orientación rotacional de la molécula, justo antes de la colisión, cambia las probabilidades de dispersión; y luego
2. cómo la colisión a su vez cambia la orientación de las moléculas expulsadas de nuevo a la fase gaseosa.

Los experimentos realizados por Yosef Alkoby, un doctorado estudiante en el grupo, utilizaron campos magnéticos para controlar los estados cuánticos rotacionales de las moléculas de hidrógeno antes y después de chocar con la superficie de un cristal de sal.

Una simulación mecánica cuántica, desarrollado por la Dra. Helen Chadwick, se utilizó para extraer la matriz de dispersión de la medición. Este es un descriptor detallado que revela exactamente cómo la orientación de rotación afecta la colisión y cómo la colisión cambia la forma en que giran las moléculas.

Hasta ahora, las matrices de dispersión solo se pueden estimar a partir de cálculos teóricos. En su nuevo periódico, el equipo de Swansea ha demostrado por primera vez una determinación experimental de una matriz de dispersión, abriendo nuevas oportunidades para estudiar y modelar interacciones molécula-superficie.

Los hallazgos clave fueron:

• El potencial de interacción molécula-superficie del hidrógeno con el fluoruro de litio depende en gran medida de la orientación rotacional de las moléculas de hidrógeno.
• La matriz de dispersión obtenida de los experimentos confirma que las colisiones de hidrógeno con fluoruro de litio pueden cambiar la orientación rotacional de la molécula y proporciona la información necesaria para utilizar esta simple superficie de sal para orientar rotacionalmente las moléculas de hidrógeno.
• La matriz de dispersión obtenida del experimento proporciona un punto de referencia extremadamente estricto que guiará el desarrollo de modelos teóricos precisos.

Profesor Gil Alexandrowicz de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Swansea, el investigador principal, dijo:

"Nuestra investigación informa sobre un nuevo tipo de experimento de colisión de la superficie de la molécula. Examinamos la orientación de una molécula en estado fundamental en rotación que se acerca a una superficie y cómo esto cambia el evento de colisión.

Ser capaz de modelar el resultado de una colisión entre la molécula y la superficie proporciona información valiosa para muchos campos de estudio. Sin embargo, incluso modelando la molécula más simple, H ₂ , con una superficie de metal con precisión todavía presenta un desafío significativo.

Para desarrollar modelos precisos, es crucial tener los resultados de los experimentos fundamentales de la ciencia de la superficie para comparar las descripciones teóricas.

Nuestros resultados proporcionan un punto de referencia nuevo y particularmente sensible para el desarrollo de la teoría, como la capacidad de calcular la colisión y reproducir con éxito la matriz de dispersión determinada experimentalmente, requiere un modelo particularmente preciso para la interacción molécula-superficie. "