Posted in: Chemie, Physik 17. Juli 2014 20:00 Weiter lesen →

Moleküle am Limit

Kalottenmodell zeigt Iodmethan als große violette Kugel, daran eine schwarze Kugel mit drei kleinen weißen, daneben eine Skizze der Abmessungen und Winkel Die Grenzen eines Moleküls hat eine deutsch-amerikanische Forschergruppe auf trickreiche Weise ausgelotet. Durch Beschuss mit Laserpulsen konnten die Physiker jenen Punkt bestimmen, an dem verschiedene Atome gerade noch durch eine gemeinsame Elektronenhülle zu einem Ganzen verbunden sind.

Grafiken: Ben Mills via Wikimedia.org (Public Domain)

Im Fall des untersuchten Iodmethans ist diese gemeinsame Elektronenhülle bemerkenswert dehnbar, fanden die Forscher um Benjamin Erk und Artem Rudenko am Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg. Noch bei einem Abstand, der das Zehnfache des üblichen Werts beträgt, können Elektronen von der Methylgruppe auf das Iod übergehen. „Die von uns gemessene kritische Entfernung markiert den Übergang vom molekularen zum atomaren Regime“, erläutert Rudenko.

Atome verbinden sich zu Molekülen, indem sie sich einzelne ihrer Elektronen teilen und so einen besonders energiearmen, stabilen Zustand erreichen. Bei ihren Versuchen beschossen Erk, Rudenko und Kollegen Moleküle von Iodmethan (CH3I) mit einem Infrarot-Laserpuls, um die Spaltung in eine Methylgruppe (CH3) und Iod (I) auszulösen. Wie schnell diese Spaltung ablief, untersuchten die Forscher, indem sie mit einer variablen Zeitverzögerung einen Ultraviolett-Laserpuls hinterherschickten.

Dieser ultraviolette Laserpuls war so abgestimmt, dass er mehrere Elektronen aus dem Iod herausschlagen konnte. Die Idee der Physiker: Solange das Iodmethan-Molekül noch intakt war, konnten zum Ausgleich Elektronen von der Methylgruppe auf das Iod übergehen. Tatsächlich waren unter den aufgefangenen Molekültrümmern umso mehr Methylgruppen mit fehlenden Elektronen, je kürzer die Zeitverzögerung war – je weniger weit die Methylgruppe und das Iod also bei Eintreffen des ultravioletten Laserpulses auseinandergeflogen waren. Umgekehrt trafen mit wachsender Zeitverzögerung immer mehr Iodatome mit besonders wenigen Elektronen auf die Teilchendetektoren der Forscher.

Noch bei einer Zeitverzögerung von gut einer halben Billionstel Sekunde fand ein Elektronenübergang in dem arg strapazierten Molekül statt, ermittelten Erk, Rudenko und Kollegen. In dieser Zeit hatten die Methylgruppe und das Iod rund 2 Nanometer (Milliardstel Meter) weit auseinanderfliegen können. Normalerweise halten die beiden Partner im Iodmethan einen Abstand von nur 0,2 Nanometer.

„Unsere Ergebnisse sind für eine Reihe von Systemen von Bedeutung“, betont Rudenko mit Blick auf die Allgegenwart von Elektronentransfers in der belebten und unbelebten Natur und nicht zuletzt in der Technik. „Derartige Prozesse spielen bei zahlreichen chemischen Vorgängen eine Rolle, etwa bei der Photosynthese oder in Solarzellen. Und in der Forschung haben Wissenschaftler, die mit Röntgenstrahlung Biomoleküle untersuchen, mit Strahlenschäden an ihren Proben zu kämpfen. Auch dabei sind die von uns untersuchten Vorgänge wichtig.“

Forschung: Benjamin Erk, Rebecca Boll, Daniel Rolles und Artem Rudenko, Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) und Max Planck Advanced Study Group at CFEL, Hamburg, Max-Planck-Institut für Kernphysik und Max-Planck-Institut für Medizinische Forschung, Heidelberg, und Department of Physics, Kansas State University, Manhattan; und andere

Veröffentlichung Science, Vol. 345(6194), pp 288–91, DOI 10.1126/science.1253607

WWW:
Max Planck Advanced Study Group, Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL)
Die chemische Bindung
Iodmethan
Linac Coherent Light Source

Lesen Sie dazu im Scienceticker:
Molekulares Fingerspitzengefühl

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