Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wann ist ein Molekül ein Molekül?

18.07.2014

Mit ultrakurzen Röntgenblitzen hat ein internationales Forscherteam Elektronensprünge in explodierenden Molekülen beobachtet.

Die Untersuchung zeigt, bis zu welcher Entfernung ein Ladungstransfer zwischen den beiden Bruchstücken eines Moleküls stattfindet. Mit der verwendeten Technik lässt sich die Dynamik des Ladungstransfers bei einer großen Bandbreite von molekularen Systemen untersuchen, schreiben die Wissenschaftler um Dr. Benjamin Erk und Dr. Daniel Rolles von DESY und Prof. Artem Rudenko von der Kansas State University im US-Fachjournal "Science". Derartige Prozesse spielen bei zahlreichen chemischen Vorgängen eine Rolle, etwa bei der Photosynthese.


Künstlerische Darstellung eines explodierenden Iodomethanmoleküls mit seinen Elektronen.

Bild: SLAC National Accelerator Laboratory

"Der Ladungstransfer findet noch bis rund zur zehnfachen normalen Bindungslänge statt", berichtet Erk, der bei DESY am Freie-Elektronen-Laser FLASH und am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) forscht, einer Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

"Eine zentrale Frage lautet: Wann ist ein Molekül ein Molekül", erläutert Rudenko die Motivation hinter der Untersuchung. "In diesem Fall also, bis zu welcher Entfernung teilen sich die Molekülbestandteile die Elektronen, ab welcher Distanz bricht der Ladungstransfer zwischen den beiden Molekülbruchstücken zusammen. Die von uns gemessene kritische Entfernung markiert den Übergang vom Molekül- zum atomaren Regime."

Für ihre Untersuchung beschossen die Wissenschaftler Moleküle aus Iod und einer Methylgruppe (CH3), sogenanntes Iodomethan (CH3I), mit einem Infrarotlaser und zerbrachen so die Bindung der beiden Partner.

"Mit Hilfe ultrakurzer Röntgenblitze, die Elektronen aus den inneren Schalen der Iod-Atome hinausschlugen, konnten wir anschließend beobachteten, wie sich die gemeinsamen Elektronen des zerbrechenden Moleküls zwischen den beiden Bruchstücken verteilten", berichtet Rolles, der eine Nachwuchsforschergruppe bei DESY leitet. Dazu nutzten die Forscher den zurzeit weltweit stärksten Röntgenlaser LCLS am US-Forschungszentrum SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien.

"Wir haben den Röntgenblitz bei jedem Schritt etwas später dem Infrarot-Laserpuls hinterhergeschickt", erläutert Erk. Diese Verzögerung betrug zwischen wenigen Femtosekunden und einer Pikosekunde, also bis zu einer billionstel Sekunde. "Je später der Röntgenblitz kommt, desto weiter haben sich die beiden Molekülbestandteile bereits voneinander entfernt." Auf diese Weise gewannen die Wissenschaftler eine Serie von Aufnahmen, auf der sich die Wanderung der Elektronen bei immer größerem Abstand der Molekültrümmer beobachten lässt.

"Je weiter sich die Bruchstücke entfernen, desto stärker nimmt der Ladungstransfer ab", berichtet Erk. "Wir konnten bis zu einer Entfernung von rund 20 Ångström eine Elektronenwanderung zwischen den beiden Bruchstücken nachweisen." Die Bindungslänge von Iodomethan beträgt dagegen nur etwas mehr als 2 Ångström, das sind 0,2 Nanometer (millionstel Millimeter).

"Unsere Ergebnisse sind für eine Reihe von Systemen von Bedeutung", betont Rudenko. "So hat man etwa in der Astrophysik Röntgenstrahlung beobachtet, die von solchen Ladungstransferprozessen erzeugt wird. Derartige Prozesse spielen bei zahlreichen chemischen Vorgängen eine Rolle, etwa bei der Photosynthese oder in Solarzellen. Und in der Forschung haben Wissenschaftler, die mit Röntgenstrahlung Biomoleküle untersuchen, mit Strahlenschäden an ihren Proben zu kämpfen. Auch dabei sind die von uns untersuchten Vorgänge wichtig."

Diese ersten Ergebnisse schlagen zudem eine Brücke zwischen der Untersuchung des Ladungstransfers zwischen einzelnen Atomen und der Analyse des elektrischen Ladungsflusses in größeren Systemen wie sie in der Biologie und der Chemie häufig vorkommen. Weitere Messungen sollen helfen, den Prozess des Ladungstransfers im Detail zu verstehen.

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa. Das Center for Free-Electron Laser Science CFEL ist eine Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

Originalveröffentlichung
"Imaging charge transfer in iodomethane upon x-ray photoabsorption"; ; Benjamin Erk, Artem Rudenko et al.; "Science", 2014; DOI: 10.1126/science.1253607

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.desy.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: „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