Die Entzifferung eines geheimnisvollen Moleküls

In den meisten Molekülen sitzen die Atome an festen Plätzen. Ganz anders im protonierten Methan, CH5+, in dem die Wasserstoffatome sogar ihre Plätze wechseln.

Dem interdisziplinären Team von Experimentalphysikern der Universität zu Köln um Prof. Dr. Stephan Schlemmer, vom FOM Institut für Plasmaphysik in Rijnhuizen (NL) und theoretischen Chemikern der Ruhr-Universität Bochum um Prof. Dr. Domink Marx ist es nun gelungen, der Bewegung der Wasserstoffatome auf die Spur zu kommen.

Insbesondere interessierte die Frage, was mit der Bewegungsfreiheit dieses Chamaeleons geschieht, wenn man nach und nach die Wasserstoffatome durch schwerere Deuteriumatome ersetzt. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden gestern in der renommierten britischen Fachzeitschrift „Nature Chemistry“ veröffentlicht.

Lieblingsplätze im Molekül
Trotz der rasend schnellen Bewegung der Wasserstoffatome im protonierten Methan (CH5+) sortieren sich die Wasserstoffatome bevorzugt in einer Zweiergruppe (H2) und einem Dreibein (CH3). Es tat sich eine „einfache“ Frage auf: Gibt es wegen dieser Sortierung und trotz der Bewegung Lieblingsplätze für die Wasserstoffatome, wenn man einige Wasserstoffatome (H) durch ihre schweren Brüder Deuterium (D) ersetzt?
Die Kölner Experimente
Um diese Frage zu beantworten, haben die Forscher die H-Atome im CH5+ Molekül schrittweise durch D-Atome ersetzt und von den so entstandenen Molekülen Infrarotspektren aufgenommen. Dazu wurden die Moleküle in einem Ionenspeicher festgehalten, auf tiefe Temperaturen heruntergekühlt, und dann mit dem Infrarotlaser FOM-Instituts für Plasmaphysik beleuchtet. Die Kölner Spektren zeigen dramatische Unterschiede für die verschiedenen Moleküle. Mit den ausgefeilten Simulationen der Bochumer Chemiker konnten die Spektren richtig gedeutet werden, wenn der Quantennatur der Bewegung der H und D-Atome Rechnung getragen wurde. Bei dem Vergleich mit den experimentellen Spektren bestätigte sich schließlich, was die Forscher schon seit langem vermutet hatten: Die H und D Atome setzen sich tatsächlich bevorzugt an ihre Lieblingsplätze.
Neue Fragen
Das neue Wissen um das Verhalten der Wasserstoffatome ist für die Kölner Wissenschaftler und ihre Kollegen von generellem Interesse, da CH5+ als Prototyp für eine ganze Klasse von Molekülen gilt, bei denen die Atome ihre Plätze tauschen. Mit der Frage, ob die schnellen Bewegungen der Atome mit der Anlagerung weiterer Aggregate abnimmt, wollen sich die Forscher in Zukunft beschäftigen.
Bei Rückfragen:
Prof. Dr. Stephan Schlemmer
I. Physikalisches Institut
Universität zu Köln
Zülpicher Strasse 77
50937 Köln
Telefon 0221 470 5736
E-Mail: schlemmer@ph1.uni-koeln.de
Prof. Dr. Dominik Marx,
Lehrstuhl für Theoretische Chemie der Ruhr-Universität Bochum,
44780 Bochum,
Telefon 0234/32-28083
E-Mail: dominik.marx@rub.de
Verantwortlich:
Dr. Patrick Honecker