Japanse natuurkundigen sturen waterstofreacties met een magneetveld

Een team van de Universiteit van Tokio heeft voor het eerst overtuigend aangetoond dat de spin van elektronen in waterstofatomen invloed heeft op chemische reacties aan een oppervlak. Door de spinrichting van een waterstofbundel te sturen met een magneetveld, kregen de onderzoekers grip op hoeveel waterstof zich hecht aan een magnetisch nikkeloppervlak. De bevindingen, gepubliceerd in Nature Communications, kunnen op termijn nieuwe wegen openen voor het regelen van katalytische processen, bijvoorbeeld bij de productie van waterstof of andere industriële chemie.

Scheikundige reacties aan oppervlakken vormen de basis van talloze processen, van de aanmaak van kunstmest tot de zuivering van uitlaatgassen. Tot nu toe keken wetenschappers vooral naar de beweging, trilling en rotatie van atomen en moleculen om te begrijpen hoe zulke reacties verlopen. Deze studie voegt daar een nieuwe factor aan toe: kwantumspin, de intrinsieke draaiing van elektronen die normaal vooral een rol speelt in magnetisme en kwantumtechnologie.

Spin bepaalt of waterstof blijft plakken

De onderzoekers schoten een bundel spingepolariseerde waterstofatomen af op een ferromagnetisch nikkeloppervlak. Door een extern magneetveld evenwijdig of loodrecht op het oppervlak te richten, konden ze de spinoriëntatie van de waterstofatomen naar keuze instellen. Vervolgens maten ze hoeveel waterstof zich daadwerkelijk hechtte aan het metaal, een proces dat bekendstaat als adsorptie. Bij lage bedekkingsgraad van het oppervlak bleek het verschil enorm: wanneer de spin evenwijdig aan het oppervlak stond, hechtte meer dan zeven keer zoveel waterstof zich eraan dan wanneer de spin er loodrecht op stond.

Om te controleren of dit effect echt met het magnetisch moment van het nikkel te maken had, herhaalden de wetenschappers het experiment met koper, een niet-magnetisch metaal. Daar verdween het verschil volledig. Dat bevestigt dat het magnetisme van het nikkeloppervlak zelf verantwoordelijk is voor het spin-effect, en niet toeval of een ander natuurkundig verschijnsel.

Ook effect op complexere reacties

De onderzoekers testten daarna of spin ook invloed heeft op reacties die verder gaan dan simpele adsorptie. Ze bedekten het nikkeloppervlak met deuterium, een zware variant van waterstof, en schoten daar de waterstofbundel op af. Dit leidde tot een zogeheten abstractiereactie, waarbij waterstof- en deuteriumatomen zich verbinden tot nieuwe moleculen. Ook hier verliep de reactie efficiënter wanneer de spin van de waterstofatomen evenwijdig aan het oppervlak stond, en het verschil tussen de twee spinrichtingen werd groter naarmate het magneetveld sterker was.

Volgens hoofdonderzoeker Hirokazu Ueta en senior auteur Katsuyuki Fukutani laat dit zien dat spin een extra stuurknop is voor chemische reacties, naast bekende factoren zoals temperatuur. Een extern magneetveld zou zo in de toekomst kunnen worden ingezet om reactiesnelheden te regelen op manieren die met conventionele methoden niet mogelijk zijn. De onderzoekers willen nu uitzoeken of hetzelfde effect optreedt bij andere materialen, met het oog op preciezere katalytische processen in bijvoorbeeld de chemische industrie.