Elektronen eines zerbrechenden Moleküls verfolgt

Mit ultrakurzen Röntgenblitzen hat ein internationales Forscherteam zerbrechende Moleküle beobachtet und so untersucht, bis zu welcher Distanz die Bruchstücke noch an gemeinsame Elektronen gebunden sind. Mit der verwendeten Technik ließe sich die Dynamik des Ladungstransfers bei einer großen Bandbreite von molekularen Systemen erforschen, schreiben die Wissenschaftler um Benjamin Erk von Forschungszentrum DESY im Fachjournal „Science“. Derartige Prozesse spielen bei zahlreichen chemischen Vorgängen eine Rolle, etwa in Solarzellen.

In ihren Experimenten beschossen die Wissenschaftler Moleküle aus Jod und einer Methylgruppe – sogenanntes Jodomethan – mit einem Infrarotlaser und zerbrachen so die Bindung der beiden Bestandteile. „Mithilfe ultrakurzer Röntgenblitze, die Elektronen aus den inneren Schalen der Jodatome hinausschlugen, konnten wir anschließend beobachteten, wie sich die gemeinsamen Elektronen des zerbrechenden Moleküls zwischen den beiden Bruchstücken verteilten“, berichtet Koautor Daniel Rolles vom DESY. Dazu nutzten die Forscher den zurzeit weltweit stärksten Röntgenlaser LCLS am US-Forschungszentrum SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien.

Um die Wanderung der Elektronen bei immer größerem Abstand der Molekültrümmer beobachten zu können, schickte das Team den Röntgenblitz dem Infrarotlaserpuls bei jedem Schritt etwas später hinterher – diese Verzögerung betrug zwischen wenigen Femtosekunden und einer Pikosekunde, also bis zu einer billionstel Sekunde. „Je später der Röntgenblitz kommt, desto weiter haben sich die beiden Molekülbestandteile bereits voneinander entfernt“, erläutert Erk. Auf diese Weise gewannen die Wissenschaftler eine Serie von Aufnahmen und konnten beobachten, dass der Ladungstransfer umso stärker abnimmt, je weiter sich die Bruchstücke entfernen.

„Wir konnten bis zu einer Entfernung von rund zwanzig Ångström eine Elektronenwanderung zwischen den beiden Bruchstücken nachweisen“, berichtet Erk. Die Bindungslänge von Jodomethan beträgt dagegen nur etwas mehr als zwei Ångström, wobei ein Ångström ein zehntel Nanometer ist. „Der Ladungstransfer findet also noch bis rund zur zehnfachen normalen Bindungslänge statt“, fasst Erk zusammen. Der nun gemessene kritische Abstand markiere den Übergang vom Molekülregime zum atomaren Regime. Die neuen Ergebnisse könnten auch in anderen Bereichen von Nutzen sein, etwa in der Astrophysik: Hier habe man Röntgenstrahlung beobachtet, so die Forscher, die von solchen Ladungstransferprozessen erzeugt wird. Aber auch bei der Photosynthese oder in Solarzellen spielen derartige Prozesse eine Rolle.