Die bizarren und gleichmäßigen Muster, die die Schneeflöckchen auf ihren Weißröckchen tragen, haben ihren Ursprung in den Vorlieben der einzelnen Moleküle. Warum sie sich auf bestimmte Art zusammenfinden, erforschen Bochumer Chemiker mit Hilfe von Modellen und modernen Analyseverfahren. Dabei fanden sie z. B. heraus, dass die Temperatur an der Art der Ordnung einen wesentlichen Anteil hat. Über ihre Erkenntnisse berichten die Forscher in ChemieRUBIN, der aktuellen Sonderausgabe des RUB-Wissenschaftsmagazins.
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Protonen wandern über die Wasserstoffbrücke
Wenn zwei Moleküle aufeinander treffen, findet nicht zwangsläufig eine chemische Reaktion statt: Bei Strukturbildungen kommt es zu sog. intermolekularen Wechselwirkungen. Die stärkste unter ihnen ist die sog. Wasserstoffbrückenbindung, die z. B. die DNA-Doppelhelix stabilisiert. Anziehende und abstoßende Kräfte zwischen den Molekülen bestimmen den Abstand zwischen ihnen und die Länge der Wasserstoffbrückenbindungen. Mit laserspektroskopischen Messungen und anderen Methoden lässt sich beobachten, dass die Protonen der Wasserstoffatome sich über die Wasserstoffbrücke bewegen und zwischen zwei bevorzugten Positionen pendeln. Die Bochumer Chemiker konnten erstmals nachweisen, wie schnell die Protonen sind: Bei Ameisensäure brauchen sie z. B. für eine Strecke 5,8 Nanosekunden.
Moleküle einfrieren
Um die Wanderungen der Protonen im Detail zu beobachten, kühlen die Forscher das Molekül sehr stark ab und bringen es erst dann mit einem anderen zusammen. Allmählich lassen sie es sich wieder erwärmen, so dass der Prozess verlangsamt ablaufen müsste. Bei diesem Experiment erlebten sie allerdings eine Überraschung: Bei Kälte entstehen andere Ordnungen als bei höheren Temperaturen. Der Grund dafür ist, dass die Moleküle zunächst nicht die stabilste, sondern die am schnellsten zu bildende Bindung eingehen. Erst dann strukturieren sie sich zu einer energetisch günstigeren Variante um. Bei extremer Kälte fehlt schlicht die Energie für diese Umstrukturierung: Die Temperatur formt Moleküle.
(Informationsdienst Wissenschaft – idw – – Pressemitteilung Ruhr-Universität Bochum, 14.01.2004 – dlo)
