MIT

[알림판목록 I] [알림판목록 II] [글목록][이 전][다 음]
[ MIT ] in KIDS
글 쓴 이(By): flame (Tommy)
날 짜 (Date): 1999년 10월 13일 수요일 오전 12시 58분 53초
제 목(Title): [news] 1999 Nobel prize in chemistry


The Royal Swedish Academy of Sciences has awarded
  the 1999 Nobel Prize in Chemistry 
  to 

  Professor Ahmed H. Zewail, California Institute of Technology, Pasadena, USA

  for showing that it is possible with rapid laser technique to see how atoms 
in a molecule move during a chemical
  reaction.


  The Academy's citation:
  For his studies of the transition states of chemical reactions using 
femtosecond spectroscopy.

  This year's laureate in Chemistry is being rewarded for his pioneering 
investigation of fundamental chemical
  reactions, using ultra-short laser flashes, on the time scale on which the 
reactions actually occur. Professor Zewail's
  contributions have brought about a revolution in chemistry and adjacent 
sciences, since this type of investigation
  allows us to understand and predict important reactions.


  Development of femtochemistry rewarded
  What would a football match on TV be without "slow motion" revealing 
afterwards the movements of the players and
  the ball when a goal is scored? Chemical reactions are a similar case. The 
chemists' eagerness to be able to follow
  chemical reactions in the greatest detail has prompted increasingly 
advanced technology. This years laureate in
  Chemistry, Ahmed H. Zewail, has studied atoms and molecules in "slow 
motion" during a reaction and seen what
  actually happens when chemical bonds break and new ones are created.

  Zewail's technique uses what may be described as the world's fastest 
camera. This uses laser flashes of such short
  duration that we are down to the time scale on which the reactions actually 
happen - femtoseconds (fs). One
  femtosecond is 10-15 seconds, that is, 0.000000000000001 seconds, which is 
to a second as a second is to 32 million
  years. This area of physical chemistry has been named femtochemistry.

  Femtochemistry enables us to understand why certain chemical reactions take 
place but not others. We can also
  explain why the speed and yield of reactions depend on temperature. 
Scientists the world over are studying processes
  with femtosecond spectroscopy in gases, in fluids and in solids, on 
surfaces and in polymers. Applications range from
  how catalysts function and how molecular electronic components must be 
designed, to the most delicate mechanisms
  in life processes and how the medicines of the future should be produced.


  How fast are chemical reactions?
  Chemical reactions can, as we all know, take place at very varying 
velocities - compare a rusting nail and exploding
  dynamite! Common to most reactions is that their velocity increases as 
temperature rises, i.e. when molecular motion
  becomes more violent.

  For this reason researchers long believed that a molecule first needs to be 
activated, 'kicked' over a barrier, if it is to
  react. When two molecules collide, nothing normally happens, they just 
bounce apart. But when the temperature is
  high enough the collision is so violent that they react with one another 
and new molecules form. Once a molecule has
  been given a sufficiently strong 'temperature kick' it reacts incredibly 
fast, whereupon chemical bonds break and new
  ones form. This also applies to the reactions that appear to be slow (e.g. 
the rusting nail). The difference is only that
  the 'temperature kicks' occur more seldom in a slow reaction than in a fast 
one.

  The barrier is determined by the forces that hold atoms together in the 
molecule (the chemical bonds) roughly like the
  gravitational barrier that a moon rocket from Earth must surmount before it 
is captured by the Moon's force field. But
  until very recently little was known about the molecule's path up over the 
barrier and what the molecule really looks
  like when it is exactly at the top, its 'transition state'.


  Hundred years of research
  Svante Arrhenius (Nobel laureate in Chemistry 1903), inspired by van't Hoff 
(the first Nobel laureate in Chemistry,
  1901) presented just over a hundred years ago a simple formula for reaction 
speed as a function of temperature. But
  this referred to many molecules at once (macroscopic systems) and 
relatively long times. It was not until the 1930s
  that H. Eyring and M. Polanyi formulated a theory based on reactions in 
microscopic systems of individual molecules.
  The theoretical assumption was that the transition state was crossed very 
rapidly, on the time scale that applies to
  molecular vibrations. That it would ever be possible to perform experiments 
over such short times was something
  no-one dreamed of.

  But this is exactly what Zewail set out to do. At the end of the 1980s he 
performed a series of experiments that were
  to lead to the birth of the research area called femtochemistry. This 
involves using a high-speed camera to image
  molecules in the actual course of chemical reactions and trying to capture 
pictures of them just in the transition state.
  The camera was based on new laser technology with light flashes of some 
tens of femtoseconds. The time it takes for
  the atoms in a molecule to perform one vibration is typically 10-100 fs. 
That chemical reactions should take place on
  the same time scale as when the atoms oscillate in the molecules may be 
compared to two trapeze artists "reacting"
  with each other on the same time scale as that on which their trapezes 
swing back and forth.

  What did the chemists see as the time resolution was successively improved? 
The first success was the discovery of
  substances formed along the way from the original one to the final product, 
substances termed intermediates. To
  begin with these were relatively stable molecules or molecule fragments. 
Each improvement of the time resolution led
  to new links in a reaction chain, in the form of increasingly short-lived 
intermediates, being fitted into the puzzle of
  understanding how the reaction mechanism worked.

  The contribution for which Zewail is to receive the Nobel Prize means that 
we have reached the end of the road: no
  chemical reactions take place faster than this. With femtosecond 
spectroscopy we can for the first time observe in
  'slow motion' what happens as the reaction barrier is crossed and hence 
also understand the mechanistic background
  to Arrhenius' formula for temperature dependence and to the formulae for 
which van't Hoff was awarded his Nobel
  Prize.


  Femtochemistry in practice
  In femtosecond spectroscopy the original substances are mixed as beams of 
molecules in a vacuum chamber. An
  ultrafast laser then injects two pulses: first a powerful pump pulse that 
strikes the molecule and excites it to a higher
  energy state, and then a weaker probe pulse at a wavelength chosen to 
detect the original molecule or an altered form
  of this. The pump pulse is the starting signal for the reaction while the 
probe pulse examines what is happening. By
  varying the time interval between the two pulses it is possible to see how 
quickly the original molecule is
  transformed. The new shapes the molecule takes when it is excited - perhaps 
going through one or more transition
  states - have spectra that may serve as fingerprints. The time interval 
between the pulses can be varied simply by
  causing the probe pulse to make a detour via mirrors. Not a long detour: 
the light covers the distance of 0.03 mm in
  100 fs!

  To better understand what happens, the fingerprint and the time elapsing 
are then compared with theoretical
  simulations based on results of quantum chemical calculations (Nobel Prize 
in Chemistry 1998) of spectra and
  energies for the molecules in their various states.


  The first experiments
  In his first experiments Zewail studied the disintegration of iodocyanide: 
  ICN -->I + CN. His team were able to observe a transition state exactly 
when the I-C bond was about to break:
  the whole reaction takes place in 200 femtoseconds.

  In another important experiment Zewail studied the dissociation of sodium 
iodide (NaI): NaI --> Na + I. The pump
  pulse excites the ion pair Na+ I - which has an equilibrium distance of 2.8 
? between nuclei (Fig. 1) to an activated
  form [NaI]* which then assumes covalent bonding. However, its properties 
change when the molecules vibrate; when
  the nuclei are at their outer turning points, 10-15 ? apart, the electron 
structure is ionic, while at short distances it is
  covalent. At a certain point on the vibration cycle, just when the nuclei 
are 6.9 ? apart, there is a great probability that
  the molecule will fall back to its ground state or decay into sodium and 
iodine atoms.


  Figure 1
  Potential energy curves showing ground state and excited state for NaI. The 
upper curve shows the molecule vibrations in excited NaI. When the
  distance between the sodium nucleus and the iodine nucleus is short the 
covalent bond dominates, while the ion bond dominates at a greater
  distance. The vibrations may be compared to those of a marble rolling back 
and forth in a dish. As the 6.9 ? point is passed there is a chance that
  the marble will roll down to the lower curve. There it may end up in the 
pit to the left (return to ground state) or fly out to the right (decay into
  sodium and iodine atoms respectively).

  Zewail also studied the reaction between hydrogen and carbon dioxide: 
  H + CO2 --> CO + OH a reaction that takes place in the atmosphere and in 
combustion. He showed that the
  reaction crosses a relatively long state of HOCO (1 000 fs).

  A question that has occupied many chemists is why certain chemical bonds 
are more reactive than others and what
  happens if there are two equivalent bonds in one molecule: will they break 
simultaneously or one at a time? To answer
  this kind of question Zewail and his co-workers studied the disassociation 
of tetrafluordiiodethane (C2I2F4) into
  tetrafluorethylene (C2F4) and two iodine atoms (I):



  They discovered that the two C-I bonds, despite their equivalence in the 
original molecule, break one at a time.

  Research is extra interesting when the results are unexpected. Zewail 
studied what may be thought the simple
  reaction between benzene, a ring of six carbon atoms (C6H6) and iodine 
(I2), a molecule consisting of two iodine
  atoms. When the two molecules become sufficiently close together they form 
a complex. The laser flash causes an
  electron to be shot from the benzene molecule into the iodine molecule. 
This then becomes negatively charged while
  the benzene molecule becomes positively charged. The negative and positive 
charges cause the benzene and the
  nearest iodine atom to be rapidly drawn to one another. The bond between 
the two iodine atoms is stretched when
  one of them is sucked in towards the benzene, whereupon the other atom 
breaks free and flies away. All this happens
  within 750 fs. Zewail found, however, that this is not the only way 
individual iodine atoms can be formed: sometimes
  the electron falls back onto benzene. But it is already too late for the 
iodine atoms: like a stretched rubber band
  breaking, the bond between the two atoms breaks and they fly apart.


  Research explosion
  A much studied model reaction in organic chemistry is the ring opening of 
cyclobutane to yield ethylene or the reverse,
  the combining of two ethylene molecules to form cyclobutane. The reaction 
may thus go directly via one transition
  state with a simple activation barrier as shown schematically on the left 
in Figure 2. Alternatively, it may proceed
  through a two-stage mechanism (right) so that first one bond breaks and 
tetramethylene is formed as an
  intermediate. After crossing another activation barrier the tetramethylene 
in turn is converted to the final product.
  Zewail and his co-workers showed with femtosecond spectroscopy that the 
intermediate product was in fact formed,
  and had a lifetime of 700 fs.



  Figure 2
  How does the reaction from the cyclobutane molecule to two ethylene 
molecules actually proceed? The left-hand figure shows how the state
  energy varies if both bonds are stretched and broken simultaneously. The 
right-hand figure shows the case where one bond at a time breaks.

  Another type of reaction studied with femtosecond technology is the 
light-induced conversion of a molecule from one
  structure to another, photoisomerisation. The conversion of the stilbene 
molecule, which includes two benzene rings,
  between the cis- and trans- forms was observed by Zewail and his co-workers.


  They concluded that during the process the two benzene rings turn 
synchronously in relation to one another. Similar
  behaviour has also recently been observed for the retinal molecule, which 
is the colour substance in rodopsin, the
  pigment in the rods of the eye. The primary photochemical step, when we 
perceive light, is a cis-trans conversion
  around a double bond in retinal. With femtosecond spectroscopy other 
researchers have found that the process takes
  200 fs and that a certain amount of vibration remains in the product of the 
reaction. The speed of the reaction suggests
  that energy from the absorbed photon is not first redistributed but is 
localised directly to the relevant double bond.
  This would explain the high efficiency (70%) and hence the eye's good night 
vision. Another biologically important
  example where femtochemistry has explained efficient energy conversion is 
in chlorophyll molecules, which capture
  light in photosynthesis.

  Femtosecond studies following Zewail's work are being performed intensively 
the world over, using not only
  molecular beams but also processes on surfaces (e.g. to understand and 
improve catalysts), in liquids and solvents
  (to understand mechanisms of the dissolving of and reactions between 
substances in solution) and in polymers (e.g.
  to develop new material for use in electronics). Another important research 
field is studies of biological systems.
  Knowledge of the mechanisms of chemical reactions is also important for our 
ability to control the reactions. A desired
  chemical reaction is often accompanied by a series of unwanted, competing 
reactions that lead to a mixture of products
  and hence the need for separation and cleansing. If the reaction can be 
controlled by initiating reactivity in selected
  bonds, this could be avoided.

  Femtochemistry has fundamentally changed our view of chemical reactions. 
From a phenomenon described in
  relatively vague metaphors such as 'activation' and 'transition state', we 
can now see the movements of individual
  atoms as we imagine them. They are no longer invisible. Here lies the 
reason why the femtochemistry research
  initiated by this year's Nobel Laureate has led to explosive development. 
With the world's fastest camera available,
  only the imagination sets bounds for new problems to tackle.

  Top of page

                                          *****

  Further reading 

        "Extended version in English" by Professor Bengt Nord?n (Top of page) 
        M.A. El-Sayed, I. Tanaka and Y. Molin "Ultrafast Processes in 
Chemistry and Photobiology" Blackwell
        Science 1995 306 pp, ISBN 0-86542-893-X. 
        S. Pedersen, J.L. Herek and A.H. Zewail "The Validity of the 
Diradical Hypothesis: Direct Femtosecond
        Studies of the Transition-State Structures". Science Vol 266 (1994) 
1359-1364. 
        A.H. Zewail "The Birth of Molecules" Scientific American December 
1990 p 40-46. 
        V.K. Jain "The World's Fastest Camera" The World and I, October 1995 
p 156-163. 
        Nobel Symposium: Femtochemistry & Femtobiology: Ultrafast Reaction 
Dynamics at Atomic-Scale
        Resolution (Editor: V. Sundstr?m) World Scientific, Singapore 1996. 

  Top of page

                                          *****

  Ahmed Zewail was born in 1946 in Egypt where he grew up and studied at the 
University of Alexandria. After
  continued studies in the U.S.A. he graduated for PhD in 1974 at the 
University of Pennsylvania. After two years at the
  University of California at Berkeley he was employed at Caltech where he 
has the Linus Pauling Chair of Chemical
  Physics since 1990. Zewail is Egyptian and American citizen.

  Professor Ahmed H. Zewail
  California Institute of Technology
  Arthur Amos Noyes Laboratory of Chemical Physics
  Mail Code 127-72
  Pasadena, California 91125
  USA


  The amount of the Nobel Prize Award is SEK 7, 900, 000.
.
[알림판목록 I] [알림판목록 II] [글 목록][이 전][다 음]
키 즈 는 열 린 사 람 들 의 모 임 입 니 다.