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Astronomie+Physik

Molekül am Scheideweg

Energieniveaus
Zustände und Energieniveaus am "Scheideweg" (Grafik: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

Wenn energiereiches Licht auf ein Molekül trifft, kann dies Umlagerungen oder sogar die Abspaltung von Atomen zur Folge haben – dies geschieht beispielsweise in der DNA unserer Hautzellen, aber auch bei der Fotosynthese und vielen anderen lichtbedingten chemischen Reaktionen. Was auf Atomebene am kritischen Punkt solcher Reaktionen geschieht, haben nun Forscher erstmals sichtbar gemacht. Ihre Methode der ultraschnellen Elektronendiffraktion enthüllte, wie sich Bindungen zwischen zwei Atomen unter Lichteinfluss dehnen und dann zerbrechen oder schwingend wieder zum Gleichgewicht zurückkehren.

Chemische Reaktionen bilden die Basis für alle Lebensvorgänge auf unserer Erde. Angestoßen durch die Präsenz bestimmter Reaktionspartner, durch Hitze oder auch durch die Energiezufuhr einstrahlenden Lichts, führen diese Reaktionen zur Trennung atomarer Bindungen und zu neuen Verknüpfungen der Elemente. Doch auf der Molekül- und Atomebene laufen die chemischen Reaktionen so rasend schnell ab, dass sie sich bis vor kurzem jeder direkten Beobachtung entzogen. „Die Start- und Endpunkte einer chemischen Reaktion sind meist offensichtlich“, erklärt Erstautor Jie Yang vom SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien. Aber Schnappschüsse der schnellen Zwischenschritte zu bekommen, ist eine echte Herausforderung.“ Genau diese aber sind für das Reaktionsergebnis entscheidend.

UV-Licht und Elektronenpulse

Wird ein Molekül beispielsweise durch UV-Licht angeregt, bringt die Energiezufuhr es an einen Scheideweg: Die Bindung zwischen zwei Atomen wird so weit gedehnt, bis sie entweder zerbricht oder aber in vibrierende Schwingungen versetzt wird, die letztlich zum Erhalt der Bindung führen. „Der Scheideweg, an dem ein Molekül entweder das eine oder das andere tun kann, ist ein wichtiger Faktor für das Endergebnis einer Reaktion“, sagt Yang. „Aber bisherige Methoden konnten die atomaren Bewegungen nicht direkt beobachten oder hatten nicht die Auflösung, um diese Phase sichtbar zu machen.“ Das hat sich nun geändert. Denn den Forschern ist es nun gelungen, das Verhalten eines Moleküls an diesem Scheideweg mithilfe einer neuen Methode direkt zu beobachten.

Für ihr Experiment setzten die Wissenschaftler Trifluoriodmethan-Gas (CF3I) zunächst extrem kurzen Pulsen eines UV-Lasers aus. Die Femtosekundenpulse regten die fünfatomigen Moleküle an und brachten sie so an den Scheideweg zwischen Zerfall und Schwingung. Dann beschossen die Forscher diese Moleküle mit auf die Laserpulse abgestimmten ultrakurzen Pulsen energiereicher Elektronen. Bei diesem Beschuss entstehen Interferenzmuster, die jeweils einen Schnappschuss der molekularen Struktur der Moleküle zum jeweiligen Zeitpunkt darstellen. Diese sogenannte ultraschnelle Elektronendiffraktion (UED) fungiert so als Highspeedkamera, die die Bewegung von Atomen im Milliardstel-Sekunden-Bereich festhalten kann. Zusammengesetzt ergeben diese Schnappschüsse einen Film, der die Entwicklung der Trifluoriodmethan-Molkeüle unter UV-Einfluss zeigt.

Dehnung, Bruch und „Regenschirm“

„Wir haben damit erstmals direkt beobachtet, wie sich die Atomkerne eines Moleküls an einem solchen Scheideweg umordnen“, sagt Yang. Der „Molekülfilm“ enthüllte, dass sich unter Einfluss eines UV-Photons zunächst die Bindung zwischen dem Iodatom und dem Fluormethanrest verlängert und wieder zurückschwingt. In den ersten 100 Femtosekunden gerät das Molekül dadurch immer wieder bis an den Punkt, an dem ein Bruch der Bindung droht. Kommt dann ein zweites UV-Photon hinzu, kippt diese vibrierende Balance: Bei immer mehr Molekülen bricht die Bindung zwischen Iod und dem Fluormethanrest, wie die Forscher beobachteten. Der vieratomige Rest vollführt anschließend jedoch weitere Schwingungen: Die Bindungswinkel zwischen den Fluoratomen und dem Kohlenstoffatom klappen wie bei einem winzigen Regenschirm mal auf, dann wieder zu.

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Nach Ansicht der Wissenschaftler eröffnet diese Methode der Molekülbeobachtung damit ganz neue Einblicke in das Verhalten von Atomen und Bindungen unter Strahlungseinfluss. „Das System, das wir untersucht haben, ist ein gutes Modell für sehr viel komplexere lichtinduzierte Reaktionen in der Natur“, erklärt Co-Autor Todd Martinez von der Stanford University. Denn auch die Bindungen im Erbmolekül DNA beispielsweise werden durch UV-Licht gedehnt, in Schwingung versetzt oder gar komplett getrennt. Zu wissen, wann letzteres geschieht und wann die Bindungsbrüche noch abgewendet werden, ist daher wichtig, um beispielsweise die Folgen eines Sonnenbrands abschätzen zu können. Aber auch in der Photosynthese der Pflanzen oder in Solarzellen spielen Photoreaktionen eine wichtige Rolle.

Jie Yang (SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park) et al., Science, doi: 10.1126/science.aat0049

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