Erster Nachweis einer reibungslosen Bewegung in einer Flüssigkeit „Molekülpropeller“ vertreibt Wasserteilchen - scinexx | Das Wissensmagazin
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Erster Nachweis einer reibungslosen Bewegung in einer Flüssigkeit

„Molekülpropeller“ vertreibt Wasserteilchen

Rotierendes Molekül im Wasser © Nicolle Rager-Fuller, National Science Foundation

Die erste nahezu reibungslose Bewegung von Molekülen in Wasser haben jetzt amerikanische Wissenschaftler erstmals nachgewiesen. Sie nutzten ultrakurze Laserpulse um ein Zyanidmolekül wie einen Propeller im Wasser rotieren zu lassen – ohne dass die Reibung die Bewegung bremste.

Freie Rotation dieser Art ist bisher nur von Gasen bekannt, in denen die Moleküle weiter voneinander entfernt sind. Das jetzt in der Zeitschrift Science berichtete Experiment weist zum ersten Mal eine solche Bewegung ohne Reibung auch in einer Flüssigkeit bei Raumtemperatur nach. Die Wissenschaftler um die Doktorandin Amy Moskun, Stephen Bradforth, Professor für Chemie an der Universität von Kalifornien und Richard Stratt von der Brown Universität begannen ihre Experimente mit einer Wasserprobe, in der Zyanoid-Ionen enthalten waren. Diese einfachen Verbindungen gleichen einer Art molekularer Hantel mit einem Stickstoffatom an einem Ende und einem Kohlenstoffatom am anderen. Mithilfe von Laserpulsen brachten die Forscher dieses Molekül in Rotation.

Schon während der ersten Vierteldrehung erzeugte die molekulare „Hantel“ eine Schockwelle, die die umgebenden Wassermoleküle wegschleuderte. „Wenn man ihm genügend Drehung gibt, schiebt es alle Typen um sich herum aus dem Weg und baut sich so eine kleine Blase“, erklärt Bradforth. „Es zerstört die Reibung im Wasser um sich herum indem es seine Umgebung komplett umformt.“

Der Forscher vergleicht dieses Phänomen mit einem Passagier, der auf einem überfüllten Flughafen seinen Koffer um sich herum schwingt und sich so – wenn auch nicht ganz schmerzfrei – Platz verschafft. Nach rund zehn Umdrehungen ließ beim Zyanidmolekül allerdings der Schockeffekt nach und das Wasser strömte langsam wieder zurück in seine alte Form. Aber dennoch war die Dauer der reibungslosen Rotation weit länger als erwartet, wie Bradforth berichtet: „Jeder sagte voraus, es würde nicht mal ein paar Grad in der freien Rotation schaffen.“

Die Entdeckung hat zwar noch keinen unmittelbar praktischen Nutzen, aber da rund 90 Prozent aller chemischen Reaktionen in Flüssigkeiten stattfinden – und Molekülbewegungen dabei häufig eine Rolle spielen, beeinflusst dies, wie Bradforth sagt, „die Art, wie wir über die große Mehrzahl der chemischen Reaktionen denken.“ Das Experiment bietet ein potenzielles neues Werkzeug, den Ablauf und Fortschritt von Reaktionen durch die Isolierung eines oder mehrerer Moleküle aus dem Gesamtverband zu beeinflussen.

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(National Science Foundation, 18.04.2006 – NPO)

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