Bei einer chemischen Reaktion laufen die Vorgänge auf atomarer Ebene so schnell ab, dass sie bisher kaum direkt zu beobachten waren. Jetzt ist es Forschern mit Hilfe von Röntgenimpulsen jedoch erstmals gelungen, die Positionen von Elektronen und Protonen während einer chemischen Reaktion abzubilden und ihre Bewegung sogar zu filmen. Dabei entdeckten sie überraschende Aktivitäten eines neu gebildeten Wasserstoffatoms.
Eine chemische Reaktion erzeugt aus einem oder mehreren Ausgangsstoffen neue Substanzen. Auf der Ebene der beteiligten Moleküle ändert sich dabei die räumliche Anordnung von Elektronen und Atomkernen. Während man die Struktur der ursprünglichen und der erzeugten Moleküle häufig gut bestimmen kann, sind die Strukturen und molekularen Bewegungen während der Reaktion meist unbekannt. Ihre Kenntnis ist für ein genaues Verständnis der Reaktion aber unverzichtbar.
Ein Traum ist deshalb ein „Reaktionsmikroskop“, mit dem sich Moleküle während einer Reaktion beobachten lassen. Tatsächlich sind die technologischen Herausforderungen für solch ein ultraschnelles „Kino“ in jüngster Zeit erfolgreich gemeistert worden. Forscher am Berliner Max-Born-Institut haben jetzt mit Hilfe von Röntgenimpulsen eine chemische Reaktion in bewegten Bildern auf atomaren Längen- und Zeit-Skalen dargestellt.
Blauer Blitz und Röntgenpuls
Michael Wörner, Flavio Zamponi, Zunaira Ansari, Jens Dreyer, Benjamin Freyer, Mirabelle Premont-Schwarz und Thomas Elsässer vom Berliner Max-Born-Institut berichten in der neuesten Ausgabe des Journal of Chemical Physics über die direkt zeitaufgelöste Beobachtung einer chemischen Reaktion in Ammoniumsulfat- Kristallen [(NH4)2SO4]. Ausgehend von einem Kurzpuls-Lasersystem der neuesten Generation erzeugten sie zunächst einen 50 Femtosekunden langen blauen Lichtblitz, der die chemische Reaktion auslöste. Nur minimal zeitversetzt schickten sie einen synchronisierten 100 Femtosekunden langen Röntgenblitz hinterher, mit dem sie mit hoher räumlicher Auflösung das Geschehen abbilden konnten.
Der Röntgenimpuls wird dabei nach der so genannenten Debye-Scherrer- Methode an einem Pulver aus kleinen Kristallen gebeugt. Aus der Vielzahl gleichzeitig gemessener Beugungssignale konnten die Physiker die momentanen atomaren Abstände im Kristall und die dreidimensionale Verteilung
der Elektronen innerhalb des Kristalls rekonstruieren. Durch die Aufnahme von Röntgen-Schnappschüssen zu verschiedenen Zeiten nach dem Auslösen der Reaktion entstand mit Hilfe des Stroboskop-Effekts ein bewegter Film.
Überraschende Reaktion entdeckt
Völlig überraschend beobachteten die Berliner Physiker dabei eine reversible chemische Reaktion, die sich grundsätzlich von den bekannten langsamen thermischen Phasenübergängen des Ammoniumsulfats unterscheidet. Der blaue Lichtblitz führt dazu, dass zunächst das Ammonium-Ion (NH4)+ eine positive Ladung und das Sulfat-Ion (SO4)- ein Elektron abgeben. Die freigesetzten Elementarteilchen vereinigen sich dann zu einem Wasserstoff-Atom, welches schließlich zwischen zwei deutlich voneinander entfernten Positionen innerhalb des Kristalls hin und her springt.
Die hier erstmals demonstrierte Röntgen-Pulverbeugung im Femtosekunden- Zeitbereich lässt sich auf viele weitere Systeme anwenden, etwa um die Eigenschaften molekularer Magnete aufzuklären oder die Elektronenbewegungen in (bio)molekularen Lichtempfängern zu verfolgen, die in Solarzellen
eingesetzt werden.
(Forschungsverbund Berlin e.V., 17.08.2010 – NPO)
