En química analítica , los experimentos de haces moleculares cruzados implican dos haces de átomos o moléculas que chocan entre sí para estudiar la dinámica de la reacción química y pueden detectar colisiones reactivas individuales. [1]
En un aparato de haz molecular cruzado, dos haces colimados de átomos o moléculas en fase gaseosa, cada uno lo suficientemente diluido como para ignorar las colisiones dentro de cada haz, se cruzan en una cámara de vacío. Luego se miden la dirección y la velocidad de las moléculas del producto resultante y, con frecuencia, se combinan con datos de espectrometría de masas . Estos datos proporcionan información sobre la partición de la energía entre los modos traslacional , rotacional y vibratorio de las moléculas del producto. [2]
La técnica del haz molecular cruzado fue desarrollada por Dudley Herschbach y Yuan T. Lee , por la que recibieron el Premio Nobel de Química en 1986 . [3] Si bien la técnica fue demostrada en 1953 por Taylor y Datz del Laboratorio Nacional Oak Ridge , [4] Herschbach y Lee refinaron el aparato y comenzaron a sondear reacciones en fase gaseosa con un detalle sin precedentes.
Los primeros experimentos con haces cruzados investigaron metales alcalinos como el potasio , el rubidio y el cesio . Cuando los átomos de metales alcalinos dispersos chocaron con un filamento de metal caliente, se ionizaron, creando una pequeña corriente eléctrica . Debido a que este método de detección es casi perfectamente eficiente, la técnica era bastante sensible. [2] Lamentablemente, este sencillo sistema de detección sólo detecta metales alcalinos. Se necesitaban nuevas técnicas de detección para analizar los elementos del grupo principal .
La detección de partículas dispersas a través de un filamento metálico dio una buena indicación de la distribución angular , pero no tiene sensibilidad a la energía cinética. Para comprender mejor la distribución de la energía cinética, los primeros aparatos de haces moleculares cruzados utilizaban un par de discos ranurados colocados entre el centro de colisión y el detector. Al controlar la velocidad de rotación de los discos, sólo las partículas con una determinada velocidad conocida podían pasar y ser detectadas. [2] Con información sobre la velocidad, distribución angular e identidad de las especies dispersas, se puede derivar información útil sobre la dinámica del sistema.
Las mejoras posteriores incluyeron el uso de filtros de masas cuadrupolos para seleccionar solo los productos de interés, [5] así como espectrómetros de masas de tiempo de vuelo para permitir una fácil medición de la energía cinética. Estas mejoras también permitieron la detección de una amplia gama de compuestos, lo que marcó la llegada del aparato "universal" de haces moleculares cruzados.
La inclusión de boquillas supersónicas para colimar los gases amplió la variedad y el alcance de los experimentos, y el uso de láseres para excitar los haces (ya sea antes del impacto o en el punto de reacción) amplió aún más la aplicabilidad de esta técnica. [2]