Nieuwe elektronentechniek spoort verstopt waterstofatoom in kristal op

Waterstof is het lichtste atoom dat er is, maar speelt een sleutelrol in tal van chemische processen. Het gas wordt gebruikt als schone brandstof en is onmisbaar bij de productie van medicijnen en kunstmest. Vaak zit waterstof daarbij vastgeplakt aan een metaalatoom: zo'n verbinding heet een hydride. Het probleem is dat wetenschappers niet goed konden zien waar dat waterstofatoom precies zit, omdat het verstopt raakt achter het veel grotere metaalatoom.

Een team van Yale University, onder leiding van scheikundige Patrick Holland en promovendus Ryan Donnelly, ontdekte nu dat een relatief nieuw instrument dat probleem oplost. Het gaat om een microcrystal electron diffractometer, kortweg MicroED. In plaats van röntgenstraling gebruikt dit apparaat een bundel elektronen om de kristalstructuur van een stof in kaart te brengen. Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Central Science.

Waarom röntgenstraling tekortschiet

Met standaard röntgendiffractie maken onderzoekers al decennia driedimensionale kaarten van moleculen. Maar bij hydrides werkt die methode slecht: het zware metaalatoom overschaduwt het piepkleine waterstofatoom, waardoor de exacte locatie onduidelijk blijft. Neutronenkristallografie geldt als de gouden standaard om waterstof wél te vinden, maar die techniek vereist een van de weinige gespecialiseerde faciliteiten ter wereld, zoals het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee dat ook meewerkte aan dit onderzoek. Voor de meeste laboratoria is dat simpelweg niet te betalen of te bereiken.

Elektronen bieden volgens onderzoeker Donnelly een uitkomst. "Elektronen interacteren sterker met een monster en diffracteren via een ander mechanisme dan röntgenstraling. Daardoor kunnen ze de locatie van het waterstofatoom nauwkeuriger bepalen", legt hij uit. Een bijkomend voordeel: MicroED werkt met kristallen die duizenden keren kleiner zijn dan wat traditionele röntgenapparatuur nodig heeft.

Test met kobalt-waterstof kristal

Om de techniek te testen, gebruikte Donnelly een kristal van kobalt gekoppeld aan waterstof. Hij vergeleek de uitkomst van MicroED met verschillende manieren om röntgengegevens te analyseren, en zette alles af tegen de resultaten van neutronenkristallografie. De conclusie: MicroED vindt de hydride-positie betrouwbaar, mits de meetgegevens van hoge kwaliteit zijn en onderzoekers bij de verwerking een zogeheten dynamisch verstrooiingsmodel gebruiken. Onder die voorwaarden kwam de uitkomst dicht in de buurt van de neutronenmeting, de tot nu toe meest betrouwbare methode.

Dat is goed nieuws voor chemici die katalysatoren ontwerpen: stoffen die chemische reacties versnellen zonder zelf te verdwijnen. Beter zicht op waar waterstof precies zit, helpt bij het begrijpen en verbeteren van dit soort moleculen. Het onderzoek bouwt voort op eerder werk van Yale-wetenschappers, die MicroED al gebruikten om onder meer een poreus metaal-organisch materiaal en een rheniumkatalysator te doorgronden. "Het is mooi om weer een nieuwe toepassing van deze krachtige techniek te laten zien", aldus Donnelly.