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Freitag, 18.04.2014

Molekülchamäleon im All

Verhalten wandelbarer Moleküle in interstellaren Wolken entschlüsselt

Wie sich Wasserstoffatome in den interstellaren Wolken des Weltraums bewegen, das haben jetzt Chemiker enträtselt. Mit Hilfe einer Kombination von molekulardynamischen Simulationen und Experimenten fanden sie heraus, wie die Atombewegungen beeinflusst werden, wenn Wasserstoff durch seinen schweren Bruder Deuterium ersetzt wird. Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift „Nature Chemistry“ veröffentlicht.
Interstellarer Nebel

Interstellarer Nebel

In den meisten Molekülen haben alle Atome ihre festen Plätze, doch es gibt Ausnahmen: Eine bestimmte Form des Methans, das unter anderem in den interstellaren Wolken des Weltraums vorkommt, besitzt ein zusätzliches Proton. In diesem protoniertem Methan (CH5+), befinden sich fünf Wasserstoffatome in ständiger Bewegung um einen Kohlenstoffkern. Diese Bewegung ist nicht vollkommen zufällig, sondern die Wasserstoffatome sortieren sich bevorzugt in eine Zweiergruppe (H2) und ein Dreibein (CH3).

Lieblingsplatz und Atomtausch


Bisher weniger bekannt war das Verhalten von solchen Molekülen, wenn eines oder mehrere Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt sind, einem Isotop des Wasserstoffs. Genau dies unteruschte jetzt ein Forscherteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Professor Dominik Marx in Kooperation mit dem Physikalischen Institut der Universität zu Köln und dem FOM Institut für
Plasmaphysik in Rijnhuizen (Niederlande). Sie erforschten die Lieblingsplätze von Deuterium und Wasserstoff im Molekül.

Um den Lieblingsplätzen auf die Spur zu kommen, tauschten die Wissenschaftler schrittweise die Wasserstoffatome gegen Deuterium aus und zeichneten für jedes Isotopolog ein Infrarotspektrum auf, das Auskunft über die Bewegungen im Molekül gibt. Hierzu wurden die Moleküle in einem Ionenspeicher festgehalten, auf tiefe Temperaturen gekühlt und mit dem Infrarotlaser des FOM-Instituts für Plasmaphysik beleuchtet.

Tieftemperaturionenspeicher mit Infrarotspektrum (von CD4H+)

Tieftemperaturionenspeicher mit Infrarotspektrum (von CD4H+)

Deuterium bevorzugt „Dreibein“


Die so gewonnenen Spektren unterschieden sich erheblich für die verschiedenen Molekülvarianten. Eine einfache Simulation nach den Gesetzen der klassischen Mechanik reichte hier nicht aus, da die Quantennatur der Kerne mit berücksichtigt werden musste. Erst durch spezielle Computersimulationen der Bochumer Chemiker war es möglich, diese Daten zu interpretieren. So konnten die Forscher zeigen, dass das Deuterium sich bevorzugt im „Dreibein“ und der Wasserstoff bevorzugt in der Zweiergruppe des Moleküls aufhält.

Die Ergebnisse der Bochumer Chemiker und ihrer Kooperationspartner sind nicht auf protoniertes Methan und seine Isotopologe beschränkt. Da es eine ganze Klasse von Molekülen gibt, in denen Atome ihre Plätze tauschen, werden die neuen Daten helfen, auch ihren Geheimnissen auf die Spur
zu kommen.

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