$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Moderne gasfase moleculaire fysica en fysische chemie experimenten gebruiken vaak supersonische uitbreidingen van doelmoleculen om rotatie koude moleculaire monsters binnen een moleculaire straal te produceren. Echter, zelfs bij lage rotatietemperaturen van 1 K, die routinematig kunnen worden bereikt met behulp van supersonische uitzettingen, kunnen grote moleculen nog steeds in meerdere conformaties binnen de straalblijven 1. Evenzo resulteert de productie van moleculaire clusters in een straalbron niet in een enkele soort, maar eerder in de vorming van een "clustersoep", die veel verschillende cluster stoichiometrieën bevat, evenals resterende zuivere oudermoleculen. Dit maakt de studie van deze systemen met nieuwe technieken zoals beeldvorming van moleculaire orbitalen2,moleculaire frame foto-elektron hoekverdelingen3-5 of elektron6-10 en röntgendiffractie11-13 moeilijk, omdat deze zuivere, consistente en homogene monsters in de gasfase vereisen.
Hoewel er nu verschillende methoden beschikbaar zijn om verschillende conformers van geladen soorten in de gasfase te scheiden (bv. ionenmobiliteitsdriftbuizen14,15) en geladen clusters gemakkelijk kunnen worden gescheiden door hun massa-ladingverhouding, zijn deze technieken niet van toepassing op neutrale soorten. We hebben onlangs aangetoond dat deze problemen kunnen worden overwonnen met het gebruik van een elektrostatisch afbuigapparaat16,17, waardoor de scheiding van moleculaire conformers en clusters en de productie van rotatiekoude moleculaire stralen mogelijk is.
Het gebruik van elektrostatische afbuiging is een klassieke moleculaire straaltechniek, waarvan de oorsprong ver teruggaat18,19. De eerste ideeën van het gebruik van elektrostatische afbuiging voor de scheiding van kwantumtoestanden werden geïntroduceerd door Stern in 192620. Terwijl vroege experimenten werden uitgevoerd op kleine moleculen bij hoge temperaturen, demonstreren we de toepassing van deze techniek op grote polaire moleculen en clusters bij lage temperaturen16,21.
Polaire moleculen ervaren een kracht in een inhomogene elektrische veld (E) als gevolg van de ruimtelijke verschillen in potentiële energie. Deze kracht
is afhankelijk van het effectieve dipoolmoment, μeff, van het molecuul en kan worden geëvalueerd als
(1)
Omdat verschillende moleculaire conformers meestal verschillende dipoolmomenten hebben en verschillende aantallen oplosmiddelmoleculen binnen een cluster leiden tot verschillende clustermassa's en dipoolmomenten, zullen deze soorten een andere versnelling ervaren in de aanwezigheid van een sterk inhomogene elektrisch veld. De resulterende Stark-effectkracht uit een inhomogene elektrische veld kan daarom worden gebruikt voor de scheiding van conformers en kwantumtoestanden22. Dit wordt aangegeven in figuur 1, die de berekende Stark-krommen weergeeft voor de J = 0,1,2 rotatietoestanden van respectievelijk het cis en transconforme 3-fluorofenol. Dit leidt tot grote verschillen in μeff, zoals blijkt uit de figuren 1c en 1d, en daarom wordt een andere versnelling ervaren door de twee conformers in inhomogene elektrische velden. Daarom kan een elektrostatische afbuiginrichting worden gebruikt als massa-dipoolmomentverhouding (m/μeff) separator, naar analogie met een massaspectrometer die fungeert als massa-op-ladingverhouding (m/z) filter23.
Bovendien maken deze technieken de scheiding van roterende kwantumtoestanden24,25mogelijk. Aangezien de grondrotatietoestanden (blauwe krommen in de figuren 1a en 1b) de grootste Stark-verschuiving vertonen, zullen deze het meest worden afgebogen en ruimtelijk worden gescheiden van moleculen in hogere J-toestanden 17. Het koudste deel van een moleculaire straal kan daarom worden geselecteerd, wat aanzienlijk helpt bij veel toepassingen, zoals uitlijning en oriëntatie van doelmoleculen17, 26-28.
In deze bijdrage laten we zien hoe een elektrostatisch deflectieapparaat kan worden gebruikt om verschillende soorten grote polaire moleculen en clusters ruimtelijk te scheiden. Voorbeeldgegevens worden gepresenteerd voor de productie van een zuivere bundel van een individuele conformer en van een solute-solvent cluster van goed gedefinieerde grootte en verhouding. In het bijzonder presenteren we gegevens over 3-fluoroffenol, waarbij een zuivere straal wordt geproduceerd die alleen de transconforme bevat, en op indool-waterclusters, waar de indool(H2O)1 cluster ruimtelijk kan worden gescheiden van water, indool, indool (H2O)2 , enz.