Synthese unter Laserlicht

Mit starken Laserpulsen erzeugen Physiker des attoworld-Teams am Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München erstmals protonierten Wasserstoff an Nanooberflächen.

Eine neue Methode zur Bildung von protoniertem Wasserstoff (H3+) hat die attoworld-Forschungsgruppe „Feldaufgelöste Nanospektroskopie“ unter der Leitung von Prof. Matthias Kling vom Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU), in Zusammenarbeit mit der American University Sharjah, entdeckt. Durch starke Laserpulse lösten die Forscher eine sogenannte bimolekulare Reaktion zwischen Wassermolekülen aus, die an Nanopartikeloberflächen angeheftet waren. Mit diesem Szenario haben die Laserphysiker die Verhältnisse im Weltraum nachgestellt, wo Eis/Staubpartikel hochenergetischer Strahlung ausgesetzt sind und sich dadurch protonierter Wasserstoff bildet.

Im Universum herrschen unwirtliche Bedingungen. Es ist eisig und die Strahlung unerbärmlich. Was auf den ersten Eindruck äußerst lebensfeindlich klingt, könnte durchaus die Entstehung des Lebens begünstigen. So bildet sich unter den extremen Bedingungen in den Weiten des Kosmos protonierter Wasserstoff H3+. Dieses ionisierte Molekül besteht aus drei Protonen und zwei Elektronen und hat die Struktur eines gleichseitigen Dreiecks. Die hohe Reaktivität von protoniertem Wasserstoff begünstigt die Bildung komplexerer Kohlenwasserstoffe, und gilt damit als wichtiger Baustein für die Entstehung von Leben im Universum.

Auf der Erde wurde H3+ bisher nur mittels organischer Moleküle oder in starken Wasserstoff-Plasmen erzeugt. Nun haben die Laserphysiker einen neuen Mechanismus für die Produktion von H3+ auf Nanoteilchen gefunden, der die Bedingungen im Weltraum nachstellt, und so neue Einblicke in den Entstehungsprozess des Moleküls ermöglicht.

Dazu bestrahlten die Physiker Wassermoleküle auf Siliziumdioxid-Nanoteilchen mit extrem starken und ultrakurzen Femtosekunden-Laserpulsen. Das Licht des Lasers wirkte ähnlich der hochenergetischen Strahlung im Weltraum; es führte zur Ionisation und Aufspaltung des Wassers auf den Nanoteilchen. In einer bimolekularen Reaktion entstanden so aus jeweils zwei Wassermolekülen ein protoniertes Wasserstoffmolekül H3+. „Unsere Experimente zeigen, dass die Produktion von H3+ auf vereisten Staubteilchen ohne weitere Zutaten möglich ist. Wir können daraus lernen, wie die Entstehung komplexer Moleküle im Weltraum begünstigt wird.“, erklärt Matthias Kling.

Thorsten Naeser

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Matthias Kling
Ultrafast Imaging and Nanophotonics, attoworld-team
Ludwig-Maximilians-Universität Munich
Am Coulombwall 1
85748 Garching
Germany
Phone: +49.89.298.54080
Email: matthias.kling@lmu.de

Originalpublikation:

M. Said Alghabra, R. Ali, V. Kim, M. Iqbal, P. Rosenberger, S. Mitra, R. Dagar, P. Rupp, B. Bergues, D. Mathur, M. Kling, A. Alnaser
Anomalous formation of trihydrogen cations from water on nanoparticles
Nature Communications 12, 3839 (2021)
https://doi.org/10.1038/s41467-021-24175-9

http://www.mpq.mpg.de/