Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Filmen von Chemie in Echtzeit mit der Hochgeschwindigkeits-Röntgenkamera

05.12.2014

Chemie ist allgegenwärtig. In chemischen Reaktionen lagern sich Atome in bzw. zwischen Molekülen um, während chemische Bindungen gebildet und gebrochen werden. Diese chemischen Bindungen bestehen aus Valenzelektronen.

Wissenschaftler des Berliner Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) konnten jetzt zeigen, dass eine ultraschnelle Röntgenkamera nicht nur sensitiv gegenüber von chemisch inerten Rumpfelektronen ist, sondern auch die Bewegung von chemisch aktiven Valenzelektronen visualisieren kann.


Bildung und der Bruch von chemischen Bindungen entlang unterschiedlicher Reaktionswege.

Abb.: MBI


Aufnahme des Bruchs und der Bildung von chemischen Bindungen während einer perizyklischen Reaktion.

Abb.: MBI

Dementsprechend ist die Bewegung von Valenzelektronen zentraler Bestandteil von jeder chemischen Reaktion. Dabei muss beachtet werden, dass lediglich ein Bruchteil dieser Valenzelektronen - oft nur ein kleiner Teil der Ladung eines Elektrons - aktiv an chemischen Reaktionen teilnimmt. Und dies geschieht äußerst schnell:

Die Dauer von vielen wichtigen chemischen Prozessen wie z.B. die ersten Schritte des Sehvorgangs und der Lichtsammlung in biologischen Systemen, beträgt lediglich wenige Femtosekunden (1 Femtosekunde = 10hoch-15 Sekunden). Die Aufnahme dieser chemisch aktiven Valenzelektronen ist daher äußerst anspruchsvoll. Erstens benötigt man eine Kamera mit exzellenter Zeit- und Ortsauflösung.

Zweitens wird eine sehr empfindliche Kamera benötigt, denn man ist nicht nur daran interessiert wie sich die Atome bewegen, sondern auch daran wie chemische Bindungen gebrochen und neue Bindungen gebildet werden - und das bedeutet den Bruchteil an aktiven Valenzelektronen aufzunehmen, welche sich im Meer aller Elektronen bewegen, die an die Atome in Molekülen gebunden sind.

Eine Röntgenkamera genügt leicht der ersten Voraussetzung. Die Streuung von Röntgenstrahlung durch Materie ist seit Entdeckung von Röntgenstrahlung ein unverzichtbares Hilfsmittel der Strukturauflösung mit atomarer Ortsauflösung.

Durch enormen technologischen Fortschritt können nun auch ultrakurze Röntgenblitze generiert werden, welche vorausgehende Untersuchungen um Zeitauflösung im Femtosekundenbereich erweitern können. Diese Röntgenblitze versprechen stroboskopische Schnappschüsse von chemischen und biologischen Prozessen in individuellen Molekülen zu generieren.

Das Erfüllen der zweiten Voraussetzung - Sensibilität gegenüber aktiven Valenzelektronen - gehört allerdings nicht zu den Stärken einer Röntgenkamera. Die Streuung von Röntgenstrahlung durch Moleküle wird immer durch Rumpfelektronen und inerte Valenzelektronen dominiert.

Daher wird generell angenommen, dass der kleine Teil von Valenzelektronen, welcher aktiv an chemischen Reaktionen beteiligt ist, im Gesamtstreusignal untergeht und damit die Aufnahme der ultraschnellen Umlagerung von aktiven Valenzelektronen mittels einer Röntgenkamera nicht möglich ist.

Unsere in Nature Communications veröffentlichte Arbeit schlägt einen Weg vor diese Herausforderung zu lösen. Wir demonstrieren theoretisch eine robuste und effektive Methode, welche es ermöglicht Informationen über chemisch aktive Valenzelektronen aus den Röntgenstreubildern eines einzelnen Moleküls zu extrahieren - ein entscheidender Schritt bei dem Bestreben die Bildung und den Bruch von chemischen Bindungen in Echtzeit mit atomarer Ortsauflösung aufzunehmen.

Unsere Arbeit zeigt wie die Bewegung von chemisch aktiven Valenzelektronen durch eine Kombination der routinemäßigen Analyse von Röntgenstreubildern mit der zusätzlichen Analyse jenes Bereichs der Streubilder, welcher auf einen relativ kleinen Impulstransfer beschränkt ist, sichtbar gemacht werden kann.

Die Arbeit zeigt nicht nur wie chemisch aktive Valenzelektronen mit Röntgenstrahlung aufgenommen werden können, sondern sie liefert auch experimentellen Zugang zu dem viel diskutierten Problem von synchroner gegen asynchrone Bindungsbildung und Bindungsbruch in chemischen Reaktionen. Die ultraschnelle Röntgenkamera bestätigt, dass die Antwort davon abhängt, ob die Atome genügend Energie haben, um die Energiebarriere, welche Reaktanden von Produkten trennt, zu überqueren, oder ob die Atome auf das Quantenphänomen des Tunnels durch die Energiebarriere zurückgreifen müssen.

Im ersten Fall bestätigen wir eine Verzögerungszeit zwischen dem Bruch von alten und der Bildung von neuen Bindungen. Im zweiten Fall beobachten wir keine Verzögerung: Der Bruch der alten und die Bildung der neuen Bindungen ist synchron. Wir hoffen, dass unsere Arbeit neue Einblicke in die Initialisierung und Kontrolle von komplexen chemischen und biologischen Reaktionen bringen wird.

Originalveröffentlichung:
Timm Bredtmann, Misha Ivanov, Gopal Dixit: X-ray imaging of chemically active valence electrons during a pericyclic reaction
Nature Communication doi:10.1038/ncomms6589

Abb. 1: Aufnahme des Bruchs und der Bildung von chemischen Bindungen während einer perizyklischen Reaktion: Wir zeigen theoretisch, dass die ultraschnelle Röntgenkamera nicht nur sensitiv gegenüber von chemisch inerten Rumpfelektronen ist, sondern auch die Bewegung von chemisch aktiven Valenzelektronen visualisieren kann.

Abb. 2: Die Kombination der routinemäßigen Analyse von Röntgenstreubildern (A, B) mit der zusätzlichen Analyse jenes Bereichs, welcher auf einen relativ kleinen Impulstransfer beschränkt ist, ermöglicht die Bewegung von chemisch aktiven Valenzelektronen während einer perizyklischen Reaktion sichtbar zu machen (C, D). Die Bildung und der Bruch von chemischen Bindungen entlang unterschiedlicher Reaktionswege kann so direkt aufgenommen und analysiert werden.

Kontakt
Dr. Timm Bredtmann Tel: 030 6392 1239
Prof. Micha Ivanov Tel: 030 6392 1210
Dr. Gopal Dixit Tel: 030 6392 1239

Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
im Forschungsverbund Berlin e.V
Max-Born-Institut
Max-Born-Straße 2A
12489 Berlin

Tel. ++49 30 6392 1505
Fax. ++49 30 6392 1509
E-Mail: mbi@mbi-berlin.de

Das Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In ihnen arbeiten mehr als 1.500 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.


Weitere Informationen:

http://www.mbi-berlin.de

Karl-Heinz Karisch | Forschungsverbund Berlin e.V.

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
27.06.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Glykane als Biomarker für Krebs?
27.06.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen

27.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wave Trophy 2017: Doppelsieg für die beiden Teams von Phoenix Contact

27.06.2017 | Unternehmensmeldung

Warnsystem KATWARN startet international vernetzten Betrieb

27.06.2017 | Informationstechnologie