Ablauf einer chemischen Reaktion verfolgt

Während sich die Eigenschaften von Ausgangstoff und Endprodukt in chemischen Reaktionen leicht untersuchen lassen, ist über die kurzlebigen Zwischenzustände meist wenig bekannt. Dabei können sie den Verlauf und vor allem das Ergebnis der Reaktion entscheidend beeinflussen. Mithilfe eines Röntgenlasers hat ein internationales Forscherteam nun in die Elektronenwolken um ein Molekül geblickt und konnte so den Weg einer Reaktion genau verfolgen. Das bietet die Chance, chemische Reaktionen besser als bisher vorhersagen und künftig beeinflussen oder gar kontrollieren zu können, wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Nature“ berichten.

In ihren Experimenten erforschten Wenkai Zhang von der Stanford University in den USA und seine Kollegen einen Eisenkomplex, der aus einem zentralen Metallatom und einem organischen Molekülteil besteht. Diese Partikel versetzte das Team zunächst mit einem herkömmlichen Laser in einen energiereicheren, angeregten Zustand, um sie nach wenigen Femtosekunden mit harten Röntgenblitzen aus der Linac Coherent Light Source am Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien zu beschießen. Dadurch lösten sich Elektronen aus der innersten Hülle des Eisenatoms. Auf den freigewordenen Platz rutschte ein Elektron aus der äußeren Hülle nach und sendete dabei seinerseits Röntgenlicht aus. Das Spektrum des ausgesandten Lichts ist charakteristisch für den angeregten Zustand des Moleküls – und liefert damit die gewünschten Informationen über die Elektronenverteilung um das zentrale Eisenatom.

Diese Messung wiederholten die Forscher mehrfach zu verschiedenen Zeitpunkten. Ähnlich wie ein Film zeigen die Resultate die nur einige Hundert Femtosekunden dauernde Reise des angeregten Moleküls durch zwei nun eindeutig identifizierte Zwischenzustände in den Endzustand. „Damit ist uns ein wichtiger Schritt hin zu einer Hochgeschwindigkeitskamera für Moleküle gelungen. Während andere Experimente die Bewegung der Atome zeigen, konnten wir auch die kleinsten energetischen und magnetischen Details der Elektronenwolken sichtbar machen, die diese Bewegungen auslösen“, sagt Koautor Wojciech Gawelda vom European XFEL in Hamburg.

Mit einer solchen Kamera ließen sich beispielsweise Molekülsysteme testen, die effizient Sonnenenergie umwandeln oder Schadstoffe aus der Abluft unschädlich machen. Denkbar wäre aber auch, Reaktionen zu optimieren – beispielsweise indem Forscher maßgeschneiderte Lichtpulse nutzen, damit den Weg zu den gewünschten Endprodukten beeinflussen und die Reaktionen so effizient wie möglich zu gestalten.