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 Auf der molekularen Streckbank
24.02.2017 | Technische Universität München

nachricht Sicherungskopie im Zentralhirn: Wie Fruchtfliegen ein Ortsgedächtnis bilden
24.02.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie