Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Sichtbarer Austausch von Protonen in chemischen Reaktionen

18.07.2003


Wissenschaftlern des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) im Forschungsverbund Berlin e.V. ist gelungen - in einer Kooperation mit einer Forschungsgruppe der Ben-Gurion-Universität in Israel -, den ultraschnellen Austausch von Protonen in chemischen Reaktionen sichtbar zu machen.



Protonen sind Elementarteilchen, aus denen Atomkerne aufgebaut sind. Für ihre Studie verwendeten die MBI-Forscher eine so genannte Photosäure auf der Basis von Pyren, die sie mit Acetat reagieren ließen. Die Untersuchung ermöglicht grundlegende Einblicke in Prozesse, wie sie etwa in Zellen ablaufen. Außerdem erweitert sie das gängige Modell des Protonentransfers um einen wichtigen Schritt. Die Forscher berichten darüber im renommierten US-Wissenschaftsmagazin Science (Band 301, Seite 349-352).



Das Besondere einer Photosäure ist, dass sie in zwei Zuständen vorkommt. Einmal ist die Flüssigkeit nur schwach sauer und damit wenig reaktionsfreudig. Wird sie jedoch durch Lichtbeschuss quasi mit Photonen "aufgeladen", so ändert sich der Säuregrad schlagartig - mit einem Mal will die Säure heftig reagieren. "Man schießt also mit einem ultravioletten Laserstrahl in die Flüssigkeit", erläutert Studienautor Dr. Erik Nibbering, "und gibt damit das Signal ,ab jetzt bist du sauer!’" Dieser Effekt ist wichtig, weil sich dadurch der Anfangszeitpunkt einer Reaktion genau festlegen lässt.

Nach der Anregung durch das UV-Licht tasteten die Experten des MBI die Flüssigkeit mit einem anderen Laser ab. Dieser strahlte im Infrarotbereich. "Man benutzt die Sensitivität von Molekularschwingungen zu Infrarotlicht", sagt Nibbering. Daraus wiederum ließen sich viele Informationen gewinnen. Vor allem konnte die Arbeitsgruppe mit dem extrem schnellen Anrege-Abtast-Experiment exakt bestimmen, wann ein Proton die Säure verlässt und wann eines bei der Base ankommt.

"Das muss nicht unbedingt das gleiche Proton sein", berichtet Nibbering. Vielmehr könne man sich das so vorstellen wie die Kugelspiele, die manchmal auf Schreibtischen stehen. Dabei hängen fünf oder sechs Kugeln aufgereiht nebeneinander, die sich alle berühren. Zieht man nun an einem Ende des Gestells eine Kugel weg und lässt sich auf die anderen Kugeln klickern, so pflanzt sich der Impuls durch alle anderen Kugeln fort, und am Ende springt die letzte Kugel der Reihe weg und klickt wieder zurück. Diese Messungen des Protonentransfers nahmen die Forscher im 100-Femtosekunden-Takt vor. "Das ist unvorstellbar schnell", sagt der Doktorand Matteo Rini. "Zum Vergleich: Knipst man einen Laserstrahl an und lässt ihn eine Sekunde leuchten, so ist der Strahl fast auf dem Mond angekommen. Nach 100 Femtosekunden dagegen hat der Laserstrahl eine Länge, die ungefähr dem Durchmesser eines Haares entspricht."

Die chemischen Reaktionen und die Messungen spielen sich also auf sehr kleinem Raum und in extrem kurzer Zeit ab. Die Forscher pumpten für ihre Studie das Säure-Basen-Wasser-Gemisch durch einen sehr schmalen Schlitz. So entstand eine Art Miniaturwasserfall mit einer Breite von etwa 5 Millimetern. Der "Flüssigkeitsvorhang" ist dabei nur rund hundert Mikrometer dick, zweimal die Breite eines Haares. Durch diesen "Vorhang" schossen die Forscher für ihre Versuche UV-Licht: Die Säure wurde "scharf" und fing an zu reagieren. Zeitgleich begannen die Messungen per Infrarotlaser, um festzustellen, wie die Protonen von der Photosäure zur Base wandern. In der Theorie ist dieser Vorgang bereits vor Jahrzehnten von dem deutschen Chemie-Nobelpreisträger Manfred Eigen beschrieben worden. Eigens Arbeit mündete in das so genannte Eigen-Weller-Modell des Protonentransfers. Dem muss jetzt jedoch eine neue Facette hinzugefügt werden. Wenn Photosäure und Base in direktem Kontakt sind, findet der Protonentransfer rasch statt. Müssen sich aber Photosäure und Base erst aufeinander zubewegen, dann verzögert irgendetwas den Protonenfluss, der Kontakt zwischen Säure und Base findet später statt als von Eigen und Weller vorhergesagt. Wieso? "Wir wissen es noch nicht", sagt Nibbering. Er spekuliert, dass vielleicht erst Wassermoleküle zwischen Säure und Base verschwinden müssten. "Oder die Protonen ,hopsen’ über Zwischenstationen zur Base." Auf jeden Fall müsse ein Zwischenschritt in das Eigen-Weller-Modell integriert werden.

Jenes Modell, das Reaktionsgeschwindigkeiten im Pikosekundenbereich vorhersagte, konnte zum Zeitpunkt seiner Einführung nicht experimentell überprüft werden. Manfred Eigen hatte seinerzeit von "immeasurably fast reactions" geschrieben - die Reaktionen seien unmessbar schnell. Zwar gab es damals schon Laser, und auch in den Bereich der Nanosekunden war man schon vorgedrungen. Eine Nanosekunde ist eine Milliardstel Sekunde. Man konnte sich aber kaum vorstellen, jemals in den Bereich Picosekunden (tausendmal kürzel als Nano) oder gar Femtosekunden (noch einmal tausendmal kürzer) vorzustoßen. Jetzt spricht man dagegen schon von der Attosekundenphysik - auch am Berliner MBI. Eine Attosekunde ist der milliardste Teil einer Millionstelsekunde (10-15).

Und was hat man nun davon, wenn man Protonen beim Wandern zusehen kann? "Das ist Grundlagenforschung", sagt Nibbering. "Aber sie erlaubt uns ein besseres Verständnis der Leitfähigkeit von Wasser für Protonen, also auch ein besseres Verständnis von Prozessen, wie sie an Biomembranen ablaufen." Möglicherweise lasse sich einmal ein molekularer Schalter konstruieren, der auf der Basis einer Photosäure funktioniert, spekuliert der Physiker. Auf jeden Fall aber zeigen die Versuche eines: Was einmal in der Physik als unmöglich galt, muss nicht unmöglich bleiben.

Ansprechpartner:

Dr. Erik Nibbering, Tel. 030 - 6392-1477, nibberin@mbi-berlin.de
Matteo Rini, Tel. 030 - 6392-1414, rini@mbi-berlin.de

Josef Zens | idw

Weitere Berichte zu: Photosäure ProTon Protonentransfer Säure

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kontinentalrand mit Leckage
27.03.2017 | MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen

nachricht Neuen molekularen Botenstoff bei Lebererkrankungen entdeckt
27.03.2017 | Universitätsmedizin Mannheim

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

Zweites Symposium 4SMARTS zeigt Potenziale aktiver, intelligenter und adaptiver Systeme

27.03.2017 | Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fließender Übergang zwischen Design und Simulation

27.03.2017 | HANNOVER MESSE

Industrial Data Space macht neue Geschäftsmodelle möglich

27.03.2017 | HANNOVER MESSE

Neue Sicherheitstechnik ermöglicht Teamarbeit

27.03.2017 | HANNOVER MESSE