Alle har erfaring med at opløse et stof i et andet – f.eks. når man drysser salt ned i vand. Sådanne opløsningsprocesser er velforståede på det makroskopiske niveau via termodynamik og kemisk reaktionskinetik, og man ved f.eks. nøjagtigt, hvor meget salt, der kan opløses i en liter vand og hvor meget kogepunktet ændres.

Hvad man derimod ikke ved, er hvad der egentlig sker i opløsningsprocesser på det atomare og molekylære niveau – ud over, hvad man har beregnet. Der er aldrig lavet målinger, hvor man har set en enkelt partikel, f.eks. en natrium ion fra saltet, blive opløst, dvs. interagere med og danne bindinger til vandmolekylerne. Nogle af de store udfordringer, der har forhindret sådan en måling, er hvordan man præcist kontrollerer, hvornår opløsningen af natrium ionen starter, og hvordan man derefter måler hvor hurtigt vandmolekyler binder sig til ionen.

Nu har Femtolab med studerende fra Institut for Kemi og Institut for Fysik og Astronomi imidlertid opfundet en metode, der gør det muligt at følge, hvordan en enkelt natrium ion gradvist opløses af enkelte atomer i flydende helium.

Udgangspunktet i eksperimenterne var små nanodråber af flydende helium bestående af omkring 5000 He atomer og med et enkelt natrium atom på overfladen. I målingerne brugtes en femtosekund laserpuls til at ionisere natrium atomet og dermed starte natrium ionens opløsning på et veldefineret tidspunkt. En anden femtosekund laserpuls, der ankom senere, anvendtes til at skubbe natriumionen med det antal He atomer, som havde bundet sig til ionen på det tidspunkt, hen til en detektor.  Ved at variere hvor lang tid, der gik mellem de to laserpulser, kunne forskerne følge hvor mange heliumatomer, natrium ionen havde bundet sig til på forskellige tidspunkter, dvs. følge opløsningsprocessen af natrium ionen i helium atom for atom.

Når natrium ionen opløses i heliumdråben, skal den energi, der bindes mellem ionen og helium atomerne transporteres væk. Som en ekstra bonus kunne forskerne også måle, hvor hurtigt det sker.

Artiklen:

Observing the primary steps of ion solvation in helium droplets
af Simon H. Albrechtsen, Constant A. Schouder, Alberto Viñas Muñoz, Jeppe K. Christensen, Christian Engelbrecht Petersen, Martí Pi, Manuel Barranco og Henrik Stapelfeldt

Artiklen kan læses via dette link: 
https://rdcu.be/dqBBB  

Der er også en Research Briefing på: 
https://www.nature.com/articles/d41586-023-02950-6 

New Scientist har en News story i deres 11. November nummer under Chemistry: 
https://www.newscientist.com/subject/chemistry/