Neue Methode ermöglicht erstmals gleichzeitige Messung verschiedener Molekül-Eigenschaften Forscher tricksen Quantenphysik aus - scinexx | Das Wissensmagazin
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Neue Methode ermöglicht erstmals gleichzeitige Messung verschiedener Molekül-Eigenschaften

Forscher tricksen Quantenphysik aus

Deutsche Forscher haben eine Methode entwickelt, mit der sich erstmals mehrere Eigenschaften eines Moleküls auf einmal messen lassen. Solche Messungen konnten bislang nur einzeln oder nacheinander durchgeführt werden. „Mit CRASY bekommen wir viel mehr Informationen als mit herkömmlichen Methoden. Denn wenn man zwei Moleküleigenschaften gleichzeitig misst, verdoppelt sich der Informationsgehalt nicht nur, sondern er steigt ins Quadrat“, sagt Thomas Schultz vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin.

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Die neue Methode nutzt ein System aus zwei Laserpulsen um Moleküle in Rotation zu versetzen und sie dabei in geladene Teilchen umzuwandeln. Aus der Analyse dieser Teilchen lassen sich sowohl Molekülstruktur als auch atomare Zusammensetzung ermitteln. Die Wissenschaftler tricksten damit die Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik aus. Sie besagen, dass man ein System nicht beobachten kann, ohne es zu verändern. Gleichzeitige Messungen galten damit bisher per se als verfälscht. „Die jetzt vorgestellten Ergebnisse des Experiments geben die Aussicht auf zahlreiche spektroskopische Experimente auch an größeren und komplexeren Molekülen“, sagen die Forscher in „Science“.

Struktur und Atombausteine bisher nicht gleichzeitig bestimmbar

Um die Struktur von Molekülen zu bestimmen, nutzen Forscher häufig die so genannte Rotationsspektroskopie. Bei dieser versetzen sie Moleküle in eine Drehung und ermitteln aus der charakteristischen Frequenz dieser Rotation die strukturellen Eigenheiten. Die Analyse mit einem Massenspektrometer „wiegt“ dagegen Moleküle und deren Bruchstücke und gibt so Auskunft über ihre atomare Zusammensetzung.

Beide Verfahren konnten bisher nur einzeln oder nacheinander, nicht aber gleichzeitig an einem Molekül durchgeführt werden. Erst die jetzt entwickelte Methode der „Correlated Rotational Alignment Spectroscopy“, kurz CRASY, ermöglicht dies.

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Trick mit doppeltem Laserpuls

Im CRASY-Verfahren regten Forscher Moleküle mit einem ultrakurzen Laserimpuls zum Rotieren an. Zeitversetzt schickten sie einen zweiten Laserpuls hinterher, der aus dem Molekül ein Elektron herausschießt. Es erhielt dadurch eine Ladung und wurde zum Ion. Mit jeweils unterschiedlichen Abständen zwischen den Laserpulsen wiederholten die Forscher diesen Ablauf vielfach. Weil die Elektronenabgabe der Moleküle rotationsabhängig ist, ließ sich die Rotation aus der Anzahl der geladenen Teilchen bestimmen. Das Gewicht der entstehenden Molekül-Ionen wurde mit einem Massenspektrometer bestimmt.

Mit einem einzigen Experiment erfassten die Wissenschaftler damit alle bekannten und drei bislang unbekannte Molekülkonstanten von zehn stabilen Isotopen einer natürlichen Kohlenstoff-Schwefelverbindung. „Im Unterschied zu herkömmlicher Rotationsspektroskopie brauchen wir dazu nur wenig Material und unsere Proben können auch verunreinigt sein“, sagt Schultz.

In der Zukunft wollen die Forscher diese Technik einsetzen, um Reaktionen in komplexen Biomolekülen, wie etwa DNA-Basen, zu verstehen. Die experimentelle Technik könne auch mit anderen spektroskopischen Methoden verknüpft werden. (Science, 2011; DOI: 10.1126/science.1204352)

(Science / Max-Born-Institut / dapd, 11.07.2011 – NPO)

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