Ultraschnelle Dissoziation von Molekülen an BESSY II analysiert

Ein internationales Team hat an BESSY II erstmals beobachtet, wie schwere Moleküle (Bromchlormethan) in kleinere Fragmente zerfallen, wenn sie Röntgenlicht absorbieren. Mit einer neu entwickelten Analysemethode gelang es ihnen, die ultraschnelle Dynamik dieses Prozesses sichtbar zu machen. Dabei lösen die Röntgenphotonen einen „molekularen Katapulteffekt“ aus: Leichte Atomgruppen werden zuerst herausgeschleudert, ähnlich wie Geschosse, die von einem Katapult abgeschossen werden, während die schwereren Atome – Brom und Chlor – sich deutlich langsamer trennen.

Treffen Röntgenstrahlen auf Moleküle, können sie Elektronen aus bestimmten Orbitalen in extrem energiereiche Zustände versetzen, wodurch chemische Bindungen aufbrechen. Dies geschieht oft extrem schnell, in nur wenigen Femtosekunden (10^-15s). Dieses Phänomen wurde bereits bei leichten Molekülen wie Ammoniak, Sauerstoff, Salzsäure oder einfachen Kohlenstoffverbindungen untersucht, aber bisher noch kaum bei Molekülen mit schwereren Atomen.

Ein Team aus Frankreich und Deutschland hat nun den schnellen Zerfall von Molekülen untersucht, die Halogene enthalten. Sie konzentrierten sich auf ein Molekül, in dem Brom- und Chloratome durch eine leichte eine Alkylengruppe (CH₂) verbunden sind. Die Messungen fanden an der XUV-Beamline von BESSY II statt.

Durch die Absorption des Röntgenlichts brachen Molekülbindungen auf und ionische Fragmente entstanden, die analysiert werden konnten. Tatsächlich gelang es den Forschenden, aus den Messdaten eine Visualisierung des Prozesses zu erstellen. Sie zeigt, wie sich Atome in den flüchtigen Zwischenzuständen bewegen, kurz bevor die Bindungen wirklich aufbrechen. Dafür entwickelte das Team eine neue Analysemethode namens IPA (Ion Pair Average) und kombinierte sie mit theoretischen Ab-initio-Berechnungen, um die Prozesse zu rekonstruieren.

Die Ergebnisse zeigten, dass leichte Atomgruppen wie CH₂ zuerst ausgestoßen werden, während die schwereren Atome – Brom und Chlor – zurückbleiben und sich folglich langsamer trennen. Interessanterweise tritt dieses katapultartige Verhalten nur bei bestimmten Röntgenenergien auf. Theoretische Simulationen, die mit experimentellen Beobachtungen übereinstimmen, unterstreichen die entscheidende Rolle von Schwingungen der leichteren Atomgruppen bei der Auslösung dieser ultraschnellen Reaktionen.

„Diese Studie beleuchtet die einzigartige Dynamik der molekularen Dissoziation unter Röntgenbestrahlung“, sagt Dr. Oksana Travnikova (CNRS, Université Sorbonne, Frankreich), Erstautorin der Studie, die nun in J. Phys. Chem. Lett. erschienen ist. Insbesondere zeigt sie, dass die katapultartige Bewegung leichter Gruppen die Trennung schwerer Fragmente einleitet, ein Prozess, der sich in bemerkenswert kurzen Zeiträumen entfaltet. Diese Erkenntnisse vertiefen das Verständnis von chemischen Reaktionen auf molekularer Ebene und zeigen, wie sich energiereiche Strahlung auf komplexe Moleküle auswirkt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Oksana Travnikova
CNRS/ Sorbonne Université
oksana.travnikova@upmc.fr

Prof. Dr. Till Jahnke
MPI für Kernphysik
+49 69 798 47025
till.jahnke@xfel.eu

Originalpublikation:

J. Phys. Chem. Lett. (2024): X-ray-Induced Molecular Catapult: Ultrafast Dynamics Driven by Lightweight Linkages

DOI: 10.1021/acs.jpclett.4c02511