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„Molekül-Selfie“ enthüllt den Aufbruch einer chemischen Bindung

Internationales Forschungsteam hat „Flucht“ eines Protons aus einem Molekül beobachtet
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20.10.2016
Die Physikochemikerin Prof. Dr. Stefanie Gräfe hat mit Hilfe quantenchemischer und -dynamischer Methoden die Richtungsabhängigkeit der Bewegung aufgeklärt und die Grundlagen für das erfolgreiche Experiment mit gelegt. Foto: Jan-Peter Kasper/FSU Die Physikochemikerin Prof. Dr. Stefanie Gräfe hat mit Hilfe quantenchemischer und -dynamischer Methoden die Richtungsabhängigkeit der Bewegung aufgeklärt und die Grundlagen für das erfolgreiche Experiment mit gelegt.
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Einem internationalen Wissenschaftlerteam unter Leitung des spanischen "Institute of Photonic Sciences" (ICFO) in Barcelona ist es gelungen, die Position aller Atome eines Moleküls zu verfolgen, während der Aufbruch einer der chemischen Bindungen ein einzelnes Proton freisetzt. Hierzu wurde ein am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) entwickeltes "Reaktionsmikroskop" verwendet. Die Ergebnisse, zu denen auch Prof. Dr. Stefanie Gräfe von der Friedrich-Schiller-Universität Jena beigetragen hat, werden in der aktuellen Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins "Science" veröffentlicht.

Man stelle sich vor, es ließen sich die einzelnen Atome eines Moleküls während einer chemischen Reaktion beobachten: wie sie sich umlagern, um eine neue Substanz zu bilden, oder wie Bausteine der DNA sich bewegen und vervielfältigt werden. Diese Fähigkeit würde bisher unerreichte Einsichten bieten, um diese Prozesse besser zu verstehen und möglicherweise zu kontrollieren.


Elektronen des Moleküls genutzt, um seine Struktur abzubilden

Die simple Idee, den Aufbruch oder die Umwandlung von Molekülen während einer chemischen Reaktion zu beobachten, war bisher unerreichbar. Denn dies setzt voraus, alle Atome, die das Molekül bilden, zu verfolgen - und dies mit subatomarer räumlicher Auflösung innerhalb weniger Femtosekunden (10-15 s = ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde). Daher klangen derartige "Schnappschüsse" einer molekularen Reaktion mit der erforderlichen Präzision wie Science Fiction. Vor nunmehr genau 20 Jahren wurde die Idee geboren, die Elektronen des Moleküls selbst zu nutzen, um seine Struktur abzubilden: Man bringe dem Molekül bei - wie man heute sagen würde - ein "Selfie" von sich zu machen.

In einer jetzt bei "Science" publizierten Studie konnte ein internationales Wissenschaftlerteam einen entscheidenden Durchbruch vermelden. Dem Team gelang die Abbildung des Aufbruchs einer chemischen Bindung in Acetylen (C2H2) innerhalb von 9 Femtosekunden, nachdem das Molekül ionisiert wurde. Die Forscher verfolgten sämtliche Atome in einem einzelnen Acetylen-Molekül mit einer räumlichen Präzision von deutlich weniger als einem Atomdurchmesser mit einer zeitlichen Präzision von 0,6 Femtosekunden. Dabei konnten sie den Aufbruch einer bestimmten einzelnen Bindung des Moleküls auslösen und beobachten, wie ein Proton das Molekül verlässt.

Dass die erforderliche räumliche und zeitliche Auflösung erreicht wurde, um Schnappschüsse der molekularen Dynamik zu erhalten, war nur möglich, weil das Team in Barcelona eine weltweit führende ultraschnelle Laserquelle für den mittleren Infrarot-Bereich entwickelte und diese mit einem Reaktionsmikroskop kombinierte. Dieses erlaubt eine kinematisch vollständige Erfassung der dreidimensionalen Impulsverteilung der freigesetzten Elektronen und Ionen in Koinzidenz - d. h., es werden alle geladenen Bruchstücke des Moleküls gleichzeitig nachgewiesen und der Reaktion zugeordnet. Entwickelt und gebaut wurde das Reaktionsmikroskop am MPIK.

Mittels einer geschickten Analyse der Daten konnten die Physiker ferner zeigen, dass die Orientierung des Moleküls relativ zur Richtung des elektrischen Feldes des Lasers ganz grundlegend die Dynamik der Reaktion ändert. Bei paralleler Ausrichtung wurde eine Vibration des Moleküls entlang der Feldrichtung beobachtet, während bei senkrechter Ausrichtung eine der C-H-Bindungen aufbrach. In dem Experiment wurde der Aufbruch der Bindung erstmals visualisiert und beobachtet, wie das Proton das C2H22+-Ion verlässt.

Die Jenaer Physikochemikerin Stefanie Gräfe hatte mit Hilfe quantenchemischer und -dynamischer Methoden die Richtungsabhängigkeit der Bewegung aufgeklärt und die Grundlagen für das erfolgreiche Experiment mit gelegt. "Mit diesem Experiment konnte zum ersten Mal die Atombewegung direkt gemessen werden", freut sich die Wissenschaftlerin. "Dies legt den Grundstein dazu, einen ,molecular movie' drehen zu können, bei dem die Position eines jeden Atoms im Molekül zeitlich aufgelöst gemessen werden kann. Idealerweise könnte man in Zukunft eine chemische Reaktion direkt beobachten, wofür dieses Experiment den Grundstein gelegt hat."


Interdisziplinarität und Teamwork als Grundlagen des Erfolgs

Zum Erfolg beigetragen hat die gute Zusammenarbeit zwischen Experimentatoren und Theoretikern, Atomphysikern und Quantenchemikern des Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Barcelona und des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, der Kansas State University, des Center for Free Electron Laser Science (DESY/CUI) sowie der Universitäten Jena, Kassel, Aarhus und Leiden, sind sich alle Beteiligten einig.

Original-Publikation:
B. Wolter et al.: Ultrafast electron diffraction imaging of bond breaking in di-ionized acetylene, Science  21 Oct 2016: Vol. 354, Issue 6310, pp. 308-312, DOI: 10.1126/science.aah3429

Kontakt (an der FSU):
Prof. Dr. Stefanie Gräfe
Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena
Helmholtzweg 4
07743 Jena
Tel.: 03641 / 948330
E-Mail: s


 

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