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30.10.2014

Wechselspiel von Molekülen während einer Reaktion beobachtet


Stellen Sie sich eine Fußball-Saison vor, bei der niemand die Spiele sieht. Am Wochenende werden lediglich Ergebnisse und Tabellen verkündet. Sie als Fan hätten keine Ahnung, wie sich Ihre Lieblingsspieler machten, wie die Trainer eingriffen oder die Schiedsrichter urteilten. Sie könnten auch nicht mitfiebern, wie Ihre Mannschaft einen 2:0-Rückstand in den letzten Minuten noch in einen 3:2-Sieg verwandelt. Sie würden lediglich das Endergebnis kennen.

So in etwa können Sie sich auch das Verständnis der Chemie vorstellen, wie sie bis vor kurzem war. Chemiker geben Substanzen zusammen und schauen sich an, was dabei herauskommt - ohne dabei sehen zu können, was zwischendurch passiert. Denn dazu laufen die meisten Reaktionen viel zu schnell und komplex ab. Die Wissenschaftler können lediglich Vermutungen anstellen über die Zwischenschritte - die Elektronenbewegungen und die Molekularstrukturänderungen. Wer aber chemische Reaktionen in Gänze verstehen will, muss auch diese Zwischenschritte kennen - sozusagen die Einwürfe, die Pässe, die Fouls.

Femtochemie - schneller geht es chemisch nicht

Wer an diesen Zwischenschritten interessiert ist, betritt das Feld der sogenannten Femtochemie. Sie untersucht extrem schnelle Abläufe. Extrem schnell liegt dabei in der Größenordnung von einigen zehn Billiardstel Sekunden (oder eben einigen zehn Femtosekunden). Während Licht in einer Sekunde die Strecke von der Erde zum Mond meistert, schafft es in einigen Femtosekunden nicht einmal die Dicke eines menschlichen Haares.

Abläufe, die kürzer als Femtosekunden sind, betrachtet die Chemie noch nicht, da sie weniger relevant sind. Einige Wissenschaftler nehmen beispielsweise die Schwingung des Wasserstoffmoleküls, des leichtesten Moleküls im Universum, als untere Grenze für die schnellsten chemisch relevanten Prozesse. Jede dieser Schwingungen braucht 14 Femtosekunden. Schwerere Atome und Moleküle bewegen sich entsprechend langsamer, und diese Zeitskala markiert einen sehr relevanten Bereich der Chemie.

In der Welt um uns herum sind Femtosekunden-schnelle Reaktionen allgegenwärtig. Sie beherrschen Abläufe in der chemischen Industrie wie etwa bei der Herstellung von Medikamenten, aber auch in der Natur wie zum Beispiel bei der Photosysnthese.

Femtochemie entstand mit der Untersuchung regelmäßiger Schwingungen von Atomen und Molekülen. Mittlerweile träumen Wissenschaftler jedoch von ganz anderem. "Molekulare Schwingungen von einzelnen Molekülen interessieren uns nicht mehr sonderlich", sagt Christian Bressler, Leiter der Gruppe FXE (Femtosecond X-ray Experiments) bei European XFEL. "Mittlerweile wollen wir die Entwicklungsgeschichte von angeregten Molekülen - vom Reaktionspartner zum fertigen Produkt - verstehen."

Die Gruppe FXE wurde im Jahr 2009 gegründet, als Christian Bressler die Kollegen Andreas Galler und Wojciech Gawelda ins Team holte. Von Anfang an war das Ziel der Gruppe ehrgeizig. Denn die drei wollen die ultraschnellen chemischen Spiele nicht nur einfach kommentieren; sie wollen auch Trainer und Schiedsrichter sein. Auf diese Weise wollen sie die Leistung der Moleküle noch während des Spiels steigern. "Kohärente Kontrolle" lautet der Fachausdruck für eine solche Steuerung chemischer Reaktionen. Die FXE-Gruppe hätte diese Fertigkeiten gerne im eigenen Portfolio ultraschneller Methoden. Am European XFEL baut sie das wissenschaftliche Instrument FXE, eine Art Hochgeschwindigkeitskamera für Moleküle.

Nobelpreis für Chemie

Die Femtochemie, deren Name vom ägyptisch-amerikanischen Nobelpreisträger Ahmed Zewail geprägt wurde, ist noch eine junge Disziplin. Dennoch ist sie inzwischen in den Chemie-Fakultäten auf der ganzen Welt etabliert.

Erst in den 1980er-Jahren wurde es Routine, Laserpulse von Femtosekundenlänge zu erzeugen. Zewail nutzte diesen technologischen Fortschritt, um die Schwingungen von Natriumiodid, einem schweren Verwandten von Tafelsalz sowie den Einfluss dieser Schwingungen auf das Spalten dieses Moleküls zu untersuchen. Dieser Durchbruch wurde 1999 mit dem Chemie-Nobelpreis belohnt.

Wem schwingendes Tafelsalz nun zunächst nicht allzu aufregend vorkommt, dem sei verziehen. Doch Zewails Forschung eröffnete ein völlig neues Kapitel in der Chemie: den Beginn von Experimenten in Echtzeit. Diese gelten als wichtiger erster Schritt auf dem Weg zum alten Chemiker-Traum von molekularen Filmen. Heutzutage stehen fast jedem chemischen Forschungsinstitut Instrumente und Laser für femtochemische Untersuchungen zur Verfügung.

Quelle: European XFEL GmbH




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