Die meisten Moleküle haben eine wohldefinierte Struktur. Im Falle des protonierten Methanmoleküls CH5+ war das aber bislang nicht so sicher:
Die offene und kontrovers diskutierte Frage um die Struktur des Moleküls zu beantworten, gelang jetzt einer interdisziplinären Wissenschaftlergruppe.
Die theoretischen Chemiker der Ruhr Universität Bochum um Professor Dr. Dominik Marx und eine Gruppe von Experimentalphysikern um Professor Dr. Stephan Schlemmer von der Universität zu Köln gemeinsam mit Forschern des Astrophysikalischen Laboratoriums der Sternwarte Leiden (NL), sowie vom FOM Institut für Plasmaphysik in Rijnhuizen (NL) fanden im Zusammenspiel von Experiment und Computersimulationen heraus, dass sich das Molekül zwar unentwegt rasend schnell verändert, aber eine bestimmte Konstellation bevorzugt. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der aktuellen aUsgabe des Wissenschaftsmagazins Science.
Fakten schaffen im Experiment
Ein experimenteller Durchbruch war die Verwendung einer neuen Technik, um das Spektrum des „Chamäleons“ CH5+ im Infrarotbereich messen zu können. Der benutzte Laserstrahl wurde vom Freien Elektronen Laser in der FELIX Facility in Rijnhuizen erzeugt und in eine „Ionenfalle“ gelenkt, in der die CH5+-Moleküle erst erzeugt, dann gekühlt und schließlich spektroskopiert wurden. „All dies hat soviel gemeinsam mit der „normalen Messung“ eines Infrarotspektrums im Labor wie ein Formel 1 Rennwagen mit einem Serienmodell der gleichen Marke“, veranschaulicht Marx das ausgefeilte Verfahren.
Fakten verstehen mit der Theorie
Aber ein Spektrum ohne Interpretation ist wenig wert. Hier kommt die Theorie zum Zuge: Das Infrarotspektrum haben die Forscher im Bochumer Virtuellen Labor, BOVILAB@RUB, ohne jeden Rückgriff auf experimentelle Daten, also „ab initio“, simuliert. Auch hier gab es große Schwierigkeiten zu überwinden, greifen doch die üblicherweise verwendeten theoretischen Methoden nicht: „Das Molekül ändert dauernd seine Struktur“, erläutert Marx, „aber gerade das Vorhandensein einer bestimmten Struktur ist Voraussetzung bei traditionellen Methoden zur Berechnung solcher Spektren.“ Im Virtuellen Labor gaben die Wissenschaftler dem Molekül nun die Freiheit, die es sich in der Natur eben nimmt. Sie berechneten das Spektrum so, wie es auch im Experiment erzeugt wird, d.h. ohne große Umwege.
CH5+ hat doch eine Struktur
„Die Übereinstimmung des so berechneten mit dem gemessenen Spektrum war hervorragend, so dass daraufhin – bildlich gesprochen – das hierfür verantwortliche atomistische Uhrwerk, bestehend aus fünf Protonen, einem Kohlenstoffkern und zusammengehalten von zehn Elektronen, im virtuellen Labor detailliert zerlegt werden konnte“, fasst Prof. Marx die Herangehensweise in einem Bild zusammen. Es zeigte sich, dass sich einerseits die relative Orientierung der fünf Protonen um das Zentrum rasant verändert, dies aber andererseits so koordiniert passiert, dass im Mittel eine Vorzugsanordnung eingenommen wird.
Verantwortlich für die beobachtete Koordination der Bewegung ist eine so genannte Dreizentren- Zweielektronen Bindung, welche eine H2-Einheit an ein CH3-Dreibein bindet. Dabei werden allerdings die Atome, die diese Untereinheiten bilden, dauernd ausgetauscht. „Protonierte Methanmoleküle sind unter anderem in der Astrochemie von Interesse, da sie mitverantwortlich sind für die Synthese von größeren Molekülen in interstellaren Wolken“, so Prof. Marx.
(Ruhr-Universität Bochum, 04.07.2005 – NPO)
