Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schneller als schnell: Physikochemiker entfernen Elektronen gezielt aus chemischen Bindungen

04.04.2008
Marburger Wissenschaftler haben einen ungewöhnlichen Weg gefunden, um chemische Bindungen kontrolliert aufzubrechen: Die Physikochemiker um Professor Dr. Karl-Michael Weitzel verwenden aufeinander folgende Laserpulse, um die Elektronen zwischen zwei Atomkernen auf eine Seite zu verschieben, so dass die Bindung zerfällt.
Durch den zeitlichen Abstand der beiden Laserpulse ist präzise determiniert, welche Reaktionsprodukte bei dem Experiment überwiegend entstehen.

Was macht eine chemische Bindung aus und wie kann man sie kontrollieren?

Auf diese Frage, die Chemiker und Physiker seit mehr als hundert Jahren beschäftigt, haben Weitzel und seine Kollegen jetzt eine verblüffende Antwort gegeben. Wie man bereits in der Schule lernt, hat chemische Bindung etwas damit zu tun, dass sich Elektronen zwischen zwei oder mehreren atomaren Kernen aufhalten - von diesen sozusagen gemeinsam genutzt werden.

"Wenn Elektronen das Bestehen einer chemischen Bindung konstituieren, dann bedeutet die Abwesenheit von Elektronen zwischen zwei Kernen den Bruch dieser Bindung", erklärt Weitzel den Grundgedanken des Experiments. Doch selbst wenn Elektronen für einen kurzen Moment aus dem Bereich zwischen zwei Kernen herausgelenkt werden, kommen sie normalerweise so schnell wieder zurück, dass die Kerne nur eine gemittelte Bewegung der Elektronen erkennen.

Der Schlüssel zur Kontrolle chemischer Prozesse mittels Kontrolle der Elektronen liegt also darin, diese nicht nur kurzzeitig aus einer chemischen Bindung herauszunehmen, sondern sie auch noch am Zurückkommen zu hindern. Kein Wunder, dass dazu ein extrem schnelles Experiment erforderlich ist - "möglicherweise das schnellste, das je in Marburg durchgeführt wurde", merkt Weitzel an. Wie sich herausstellte, genügen unvorstellbar kleine Zeitunterschiede von 1.35 Femtosekunden, um vorwiegend die eine oder die andere chemische Bindung in einem Molekül zu brechen.

Die Wissenschaftler haben ihren Versuch mit der Verbindung ortho-Xylol durchgeführt (chemische Formel: C8H10). Die Moleküle dieses Gases wurden mit zwei sehr kurzen Laserpulsen optisch angeregt, die jeweils nur 40 Femtosekunden dauerten. Diese beiden Lichtpulse erfolgten in so kurzem zeitlichem Abstand, dass sie überlappten, wodurch es zu Interferenzen kam; darunter versteht man das gegenseitige Aufschaukeln oder die Auslöschung der einander überlagernden Schwingungen.

Weitzel und seine Kollegen variierten die Zeitverzögerung zwischen den beiden Laserpulsen in kleinsten Schritten von 300 Attosekunden, indem sie einen der beiden Strahlen über einen Umweg von wenigen Nanometern führten. Eine Attosekunde entspricht 10-18 Sekunden - zur Veranschaulichung: Licht benötigt etwas mehr als eine Sekunde für die Strecke von der Erde bis zum Mond, das sind fast 400.000 Kilometer. In 300 Attosekunden legt Licht ungefähr 100 Nanometer zurück.

Je nach gewählter Verzögerung zerfielen die ortho-Xylol-Moleküle in unterschiedliche Bruchstücke: Bei einem Abstand von 70 Femtosekunden erreichte die Bildung von CH3+-Ionen ein Maximum und die Bildung von C+ ein Minimum. Sobald sich der Abstand um nur 1.35 Femtosekunden vergrößerte, war es genau umgekehrt. Über die Variation der Verzögerung in diesen unglaublich kleinen Abständen ist also die Kontrolle der Ausbeute konkurrierender chemischer Prozesse möglich.

Dieses neue Phänomen kann in unterschiedlichen Bildern veranschaulicht werden. Die Wissenschaftler erklären ihre Ergebnisse dadurch, dass die Elektronen durch die Interferenzen der ultrakurzen Lichtpulse in synchrone Schwingungen versetzt werden. Dadurch befinden sie sich je nach Verzögerungszeit außerhalb der Reichweite eines der beteiligten Kerne, wodurch eine bestimmte chemische Bindung gebrochen wird - nämlich jeweils dort, wo die Elektronen gerade nicht sind. Die Ergebnisse erschienen am vergangenen Freitag im renommierten Fachjournal "Journal of Chemical Physics".

Originalveröffentlichung:
H.G. Breunig, G. Urbasch, K.-M. Weitzel: Phase control of molecular fragmentation with a pair of femtosecond-laser pulses, J. Chem. Phys. 128 (2008), 121101 (28.März, 2008), http://dx.doi.org/10.1063/1.2898092
Weitere Informationen:
Ansprechpartner: Professor Dr. Karl-Michael Weitzel, Tel.: 06421 28-22360 / 61

Johannes Scholten | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-marburg.de/fb15/ag-weitzel/
http://dx.doi.org/10.1063/1.2898092

Weitere Berichte zu: Attosekunde Elektron Femtosekunde Laserpuls

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All
24.01.2017 | Leibniz Universität Hannover

nachricht European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen
24.01.2017 | European XFEL GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Sustainable Water use in Agriculture in Eastern Europe and Central Asia

19.01.2017 | Event News

12V, 48V, high-voltage – trends in E/E automotive architecture

10.01.2017 | Event News

2nd Conference on Non-Textual Information on 10 and 11 May 2017 in Hannover

09.01.2017 | Event News

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie