Экспериментальное импульсное распределение фотоэлектронов от чистой меди и от молекул пара-хинквефенила, адсорбированных на меди (слева), и теоретическое импульсное распределение от свободных молекул и адсорбированных молекул на меди (справа).
Предоставлено: Forschungszentrum Jülich / X.Yang, S. Soubatch; Университет Граца / П. Пушниг

Скрипучие, облачные или сферические — электронные орбитали показывают, где и как электроны движутся вокруг атомных ядер и молекул. В современной химии и физике они оказались полезной моделью для квантово-механического описания и предсказания химических реакций. Только если орбитали совпадают в пространстве и энергии, они могут быть объединены — это то, что происходит, когда два вещества реагируют друг с другом химически. Кроме того, есть еще одно условие, которое должно быть выполнено, как теперь обнаружили исследователи из Исследовательского центра Юлиха и Университета Граца: ход химических реакций также, по-видимому, зависит от распределения орбит в импульсном пространстве. Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.

Химические реакции в конечном счете представляют собой не что иное, как образование и разрыв электронных связей, которые также можно описать как орбитали. Таким образом, так называемая теория молекулярных орбиталей позволяет предсказывать ход химических реакций. Химики Кеничи Фукуи и Роальд Хоффманн получили Нобелевскую премию в 1981 году за значительное упрощение метода, что привело к его широкому использованию и применению.

«Обычно анализируются энергия и расположение электронов. Однако с помощью метода фотоэмиссионной томографии мы рассмотрели распределение орбиталей по импульсам», — объясняет доктор Сергей Субач. Вместе со своими коллегами из Института Петера Грюнберга (PGI-3) в Юлихе и Университета Граца в Австрии он адсорбировал различные типы молекул на металлических поверхностях в серии экспериментов и нанес на карту измеренный импульс в так называемом импульсном пространстве.

«Фотоэмиссию многих различных молекул на металлах, которые мы измеряем, также можно предсказать теоретически. В качестве модели можно просто использовать свободную молекулу, которая не взаимодействует с металлом. Но когда мы измерили олигофенилы на меди, мы вдруг поняли, что экспериментальный результат значительно отличались от теоретических предсказаний. Некоторые части импульсного пространства остались незанятыми», — сказал Субач. Эти области импульса соответствуют известным ширинам запрещенной зоны электронных состояний, которые обычно встречаются в благородных металлах. И один из используемых материалов, медь, также является таким благородным металлом.

Для работы исследователи провели эксперименты на синхротроне Elettra в Триесте, Италия. Там международный консорциум во главе с Forschungszentrum Jülich использует спектроскоп NanoESCA на линии луча, которая содержит фотоэмиссионный электронный микроскоп для орбитальных томографических измерений. Работа проводилась в сотрудничестве с проф. Майклом. Г. Рэмси и теоретик профессор Питер Пушниг из Университета Граца. Своим квантово-механическим моделированием всей взаимодействующей системы — молекул и поверхности металла — Питер Пушниг дал ключ к объяснению недавно открытого критерия отбора.