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FORSCHUNG/765: Stoppuhr für rasende Protonen (MPG)


Max-Planck-Gesellschaft - 12. Januar 2011

Stoppuhr für rasende Protonen

Wie lange die Isomerisierung eines Moleküls dauert, lässt sich jetzt messen - damit verbessert sich das Verständnis der Reaktionsdynamik


Live zu beobachten, wie ein Molekül seine Form verändert oder seine Bestandteile umarrangiert - das ist der Ehrgeiz vieler Forscher. Nun sind Forscher des Heidelberger Max-Planck-Insitituts für Kernphysik dem Ziel einen Schritt nähergekommen. Mit einer Art Stoppuhr aus intensiven Pulsen von extrem ultraviolettem (EUV) Licht haben sie erstmals gemessen wie lange eine bestimmte Reaktion, eine so genannte Isomerisierung, dauert. Solche Reaktionen spielen eine entscheidende Rolle bei vielen biologischen Prozessen, etwa dem Sehen. Auf die Netzhaut fallendes Licht bewirkt dort die Formänderung eines Proteins. Wie das Umlegen eines Schalters löst diese Isomerisierung das Senden eines elektrischen Impulses an das Gehirn aus. Der Erfolg der Heidelberger Forscher ermöglicht weitere Fortschritte im Verständnis der Dynamik dieser Klasse von Reaktionen. (Phys. Rev. Lett. 105, 263002 (2010))



Das Foto zeigt ein sogenanntes Reaktionsmikroskop. Dieses riesige Mikroskop, das einen kleinen Raum ausfüllt, gewährt den genauen Blick auf chemische Prozesse. - © MPI für Kernphysik

Einen genauen Blick auf chemische Prozesse gewährt diese Apparatur - ein Reaktionsmikroskop. Mit sehr kurzen Pulsen eines Freie Elektronen-Lasers regen die Forscher die Umwandlung eines Moleküls an und beobachten, wie diese abläuft.
© MPI für Kernphysik


Es ist ähnlich wie bei Fischertechnik: Aus einem Satz von Atomen unterschiedlicher chemischer Elemente lassen sich viele verschiedene Moleküle herstellen, die sich zwar nicht in ihrer Zusammensetzung, wohl aber in ihrer räumlichen Form bzw. in der Abfolge der Atome unterscheiden. Moleküle aus gleichen Bestandteilen, aber mit unterschiedlicher geometrischer Form nennen Chemiker Isomere. Die Formenvielfalt der Isomere bringt auch eine Vielfalt der Eigenschaften und Funktionen mit sich. Zwei Isomere des ätherischen Öles Carvon zum Beispiel riechen unterschiedlich: das eine gibt der Minze, das andere dem Kümmel seinen Geruch.

Wie Isomere sich ineinander verwandeln, interessiert Forscher besonders, denn dieser Aspekt spielt in der Biochemie eine besonders wichtige Rolle: Die Formänderung von Molekülen nutzen Organismen, um absorbierte Lichtenergie in chemischer Form zwischenzuspeichern, bevor sie weiterverwendet wird, wie es etwa beim Sehen der Fall ist. Aber auch in der Technik könnten Isomere benutzt werden: Das Hin- und Herschalten zwischen zwei Isomeren, die eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit aufweisen, könnte den Stromfluss in elektrischen Schaltkreisen der Zukunft steuern. Solche nur molekülgroßen Schalter wären etwa 100 Mal kleiner und schneller als die Transistoren in heutigen Computerchips und würden deren weitere Miniaturisierung ermöglichen.

Nun haben Forscher um Robert Moshammer und Joachim Ullrich vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg erstmals die Zeit gemessen, die eine bestimmte Isomerisierungsreaktion dauert. Sie untersuchten das einfache organische Molekül Acetylen (C2H2), welches aus zwei miteinander verbundenen Kohlenstoff-Atomen besteht, an die je ein Wasserstoff-Atom gebunden ist. Mit der nötigen Anregungsenergie versorgt wandelt sich ein Teil der Moleküle in das Isomer Vinyliden um, in dem beide Wasserstoff-Atome an eines der beiden Kohlenstoff-Atome gebunden sind und das, anders als das Acetylen, eine gebogene Molekülstruktur aufweist. Den Messungen der Heidelberger Forscher zufolge dauert die Umwandlungsreaktion 52+/-15 Femtosekunden. "Das Ergebnis passt gut zu bisherigen groben Schätzungen, die auf indirekten Experimenten beruhten, welche den Protonentransfer nicht nachweisen konnten und Zeiten zwischen 50 und 100 Femtosekunden abschätzten", sagt Yuhai Jiang, der die Daten auswertete und interpretierte.

Bislang fiel es den Wissenschaftlern schwer, zu erforschen, wie die Formänderungen vonstatten gehen. Direkt beobachten lassen sie sich nämlich nicht, weshalb Daten für theoretische Modelle fehlen, welche die Dynamik beschreiben. So waren die Geschwindigkeiten von Isomerisierungsreaktionen bislang unbekannt.


Originalveröffentlichung:
Y. H. Jiang, A. Rudenko, O. Herrwerth, L. Foucar, M. Kurka, K. U. Kühnel, M. Lezius, M. F. Kling, J. van Tilborg, A. Belkacem, K. Ueda, S. Düsterer, R. Treusch, C. D. Schröter, R. Moshammer, und J. Ullrich
Ultrafast Extreme Ultraviolet Induced Isomerization of Acetylene Cations
Phys. Rev. Lett. 105, 263002 (2010)
Chemie. Quantenphysik


Kontakt:
PD Dr. Robert Moshammer
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
E-Mail: robert.moshammer@mpi-hd.mpg.de


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Quelle:
MPG - Presseinformation vom 12. Januar 2011
Herausgeber:
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veröffentlicht im Schattenblick zum 14. Januar 2011