Kijken naar het kleinste Röntgenmicroscoop ziet moleculen aan het

Kijken naar het kleinste
Röntgenmicroscoop ziet moleculen aan het werk
Noorderlicht.vpro.nl, 2008
Atomen op de voet volgen tijdens hun onderonsjes lukt nog net niet, maar Utrechtse scheikundigen komen
een heel eind in de richting. Met een speciale röntgenmicroscoop bekijken ze wat er gebeurt als een
katalysator koolmonoxide en waterstof samenvoegt tot lange koolwaterstofketens.
Als je iets wilt verbeteren, is het wel handig als je weet hoe het nú werkt. Dat geldt ook voor katalysatoren, de werkpaarden van
de chemische industrie. Deze stoffen of combinaties van stoffen versnellen reacties zonder er zelf aan deel te nemen. Nou ja, in
ieder geval zitten ze na de reactie weer hetzelfde in elkaar als ervoor. Maar wat doen ze in de tussentijd? Niemand heeft het ooit
gezien.
Losse atomen en moleculen zijn natuurlijk ook veel te klein om met zichtbaar licht te bestuderen. Met sommige
elektronenmicroscopen kan dat tegenwoordig wel, maar die hebben weer het nadeel dat ze alleen beelden kunnen maken in een
vacuüm, zonder gas dus. Daar heb je weinig aan als je een katalysator wilt bekijken terwijl die bemiddelt bij reacties tussen
gassen. Nederlandse onderzoekers beschrijven deze week in Nature een techniek om de bedrijvige deeltjes toch te betrappen.
In de katalysator helpt ijzer om CO en H2 aaneen te rijgen tot lange ketens. Maar hoe? (Smit e.a./Nature)
Dit zijn de beelden waarom het allemaal draait in de Nature-publicatie. Ze zijn gemaakt na vier uur Fischer-Tropsch synthese, en je ziet
dat het ijzer (boven, rood) bedekt is door een 'deken' van koolstof (onder, geel).
En zo ziet de opstelling met de nanoreactor eruit.
Drie hoofdrolspelers bij dit onderzoek (vlnr) Frank de Groot, Emiel de Smit en Bert Weckhuysen.
Met een speciale, zeer geconcentreerde bundel röntgenstraling zijn details tot enkele tientallen nanometers te zien, en dat zou
naar verwachting omlaag gebracht kunnen worden tot tegen de 5 nanometer. “Zulke gefocusseerde stralingsbundels worden
maar op een paar plaatsen ter wereld gemaakt”, zegt Bert Weckhuysen, hoogleraar anorganische chemie en katalyse aan de
Universiteit Utrecht. “Wij gaan ervoor naar Berkeley in Californië.”
De Nederlanders, uit Utrecht en Delft, bouwden een piepklein reactievaatje met flinterdunne raampjes om het gedrag te
bestuderen van een katalysator die de zogenaamde Fischer-Tropsch-reactie versnelt. Bij een temperatuur van driehonderd
graden Celsius wordt daarin een mix van koolmonoxide (CO) en waterstof (H2) omgezet in een soort lange koolwaterstofketens.
Die zijn te vergelijken met kaarsvet en kunnen worden gebruikt om schone diesel van te maken.
De belangrijkste stof in de katalysator is ijzeroxide, tenminste als hij niet aan het werk is. Welke gedaantes het ijzer tijdens de
reacties precies aanneemt, is onduidelijk.
Het team van Bert Weckhuysen en Frank de Groot heeft er nu een glimp van opgevangen. Wat de onderzoekers deden, lijkt op
het maken van een röntgenfoto van een gebroken pols, maar dan op nanoschaal. Ze stuurden röntgenstraling door het
reactievaatje heen en vingen die daarachter weer op, vertelt de chemicus. Waar straling is geabsorbeerd, komt een vlek op de
foto.
Weckhuysen: “De truc is nu om straling van verschillende golflengten te gebruiken. Ieder element heeft eigen absorptiepieken,
en we zorgen dat de straling precies de golflengtes heeft die passen bij de atomen die we willen zien. We kunnen maar één
golflengte per keer door het reactievaatje sturen, daarom moeten we de elementen één voor één in beeld brengen. De vlekken die
dat oplevert, combineren we tot één beeld. Daarop zie je waar welke stoffen zich bevinden.”
Zoiets dynamisch als een chemische reactie volgen lukt daarmee toch niet? “Niet helemaal, dat klopt, we hebben zelfs meerdere
minuten nodig voor één meting”, antwoordt de chemicus. “Wat we nu hebben gezien, is eigenlijk de toestand van de katalysator
als die geblokkeerd is geraakt. Er zit op zo’n moment een dekentje van koolstofatomen om het ijzer heen, en we kunnen aan de
geabsorbeerde golflengtes zien in welke toestand het ijzer dan is.”
De werking van de katalysator is daarmee nog niet meteen opgehelderd, maar het is een begin, aldus Weckhuysen. “Dit bewijst
dat deze nieuwe techniek werkt. Er valt nog veel aan te verbeteren, en dat gaan we ook doen. Dus zullen we steeds scherpere
beelden kunnen maken met kortere tussenpozen.”
Met die beelden hopen de onderzoekers het gedrag van katalysatoren precies in kaart te brengen, te beginnen bij de FischerTropsch-reactie. En het proces dan te verbeteren, uiteraard. Misschien helpt dat op een dag om de wereld van zijn olieverslaving
af te helpen, want deze reactie is in beeld als stap bij het maken van schone diesel uit biomassa. Of uit steenkool, dat kan ook.
En er kan nog meer. Vrijwel de hele moderne chemische industrie draait op katalysatoren, die meestal ontwikkeld zijn door
maar wat te proberen. De onderzoekers verwachten dat hun systeem, dat werkt bij temperaturen tot 500 graden Celsius, een
meer gerichte aanpak mogelijk gaat maken. Ze kunnen haast niet wachten tot ze weer met de röntgenbundel van Berkeley aan de
slag mogen.