Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Was hält die Welt der Moleküle zusammen?

22.08.2013
Mit Röntgenstrahlen auf der Suche nach Antworten

Mittels Röntgenstrahlen wollen Theoretische Physiker der Universität Rostock und ein internationales Experimentatorenteam unter Federführung des Helmholtz-Zentrums in Berlin (HZB) die Welt der Moleküle und Atome besser verstehen.


Vereinfachte Darstellung des experimentellen Aufbaus aus einem Mikro-Flüssigkeitsstrahl und einer Röntgenstrahlquelle. Das emittierte Licht zeigt ein charakteristisches Spektrum, dem die berechneten Elektronendichteverteilungen zugeordnet werden können.

Der Arbeitsgruppe des experimentellen Physikers Prof. Emad F. Aziz gelang es, durch Entwicklung einer neuen Versuchsstation am Berliner Elektronenspeicherring BESSY II, Messungen an einem Mikro-Flüssigkeitsstrahl, das heißt unter in situ Bedingungen, durchzuführen.

Dabei werden Absorptions- und Emissionsspektren gemessen (siehe Abbildung), in denen die Information über das Geschehen auf molekularer Ebene kodiert ist. Die Entschlüsselung dieses Codes wird durch ab initio, also nur auf fundamentalen Prinzipien basierenden Verfahren, möglich, wie sie in der Arbeitsgruppe des Theoretikers Professor Oliver Kühn am Institut für Physik der Universität Rostock eingesetzt werden.

„Experiment und Theorie gehen hier Hand in Hand und ermöglichen ganz neue Erkenntnisse über das chemische Bindungsverhalten zwischen Atomen“, erläutert Professor Kühn.

Erste Resultate dieser Kooperation konnten nun in den renommierten Fachzeitschriften Angewandte Chemie (http://dx.doi.org/10.1002/ange.201303310) und Physical Review Letters (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.083002) veröffentlicht werden.

Die Eigenschaften molekularer Systeme werden wesentlich durch die chemischen Bindungen zwischen den Atomen bestimmt. Die dafür verantwortlichen Elektronen sind gemäß den Gesetzen der Quantenmechanik im Raum verschmiert. Sie sind umso mehr delokalisiert, je weiter sie vom Atomkern entfernt sind. Gewöhnliche spektroskopische Methoden, zum Beispiel mit ultraviolettem Licht, untersuchen nur die Eigenschaften von über die Moleküle delokalisierten Valenzelektronen. Die übrigen Elektronen, welche sich dicht bei den Atomkernen befinden, bleiben unbeobachtet. Die weiche Röntgenspektroskopie ermöglicht es jedoch, die Elektronendichte in der unmittelbaren Umgebung eines ausgewählten Atoms zu untersuchen. Dabei wird ein Rumpfelektron angeregt, welches bei seiner Rückkehr in die Nähe des Atomkerns innerhalb von wenigen Femtosekunden (10-15 s) Licht emittiert, das Informationen über die chemische Bindung zu benachbarten Atomen enthält.

In den gerade veröffentlichten Arbeiten standen Übergangsmetallkomplexe im Mittelpunkt, die bei vielen chemischen Prozessen in Natur und Industrie auf Grund ihrer katalytischen Eigenschaften eine große Rolle spielen, wie etwa bei einem Abgaskatalysator. „Von entscheidender Bedeutung für die katalytische Aktivität ist die Fähigkeit der Übergangsmetalle, Bindungen einzugehen und wieder zu lösen. Die Verteilung der Elektronendichte liefert hier den Schlüssel zu einem Verständnis auf atomarer Ebene“, so Oliver Kühn. Dies wurde exemplarisch für Lösungen von Eisenpentacarbonyl, Fe(CO)5, untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, in welchem Maße Elektronen des Eisens und der Carbonylgruppen miteinander wechselwirken und dadurch die chemische Bindung aufbauen.

In einer weiteren Untersuchung wurden Eisen- und Kobaltionen in wässriger Lösung studiert (Fe2+, Fe3+ und Co2+). Dabei handelt es sich um die einfachsten Modellsysteme für Grenzflächen von Ionen und Lösungsmitteln, die fundamental für das Verständnis von funktionalen Materialien und biologischen Systemen sind. Durch einen Vergleich experimenteller und theoretischer Resultate konnten Schlussfolgerungen hinsichtlich der Gründe für die unterschiedlich stark ausgeprägte Wechselwirkung dieser Ionen mit den Wassermolekülen in ihrer unmittelbaren Umgebung gezogen werden.

Die jüngst veröffentlichten Arbeiten sind nur ein erster gemeinsamer Schritt in Richtung einer systematischen Untersuchung komplexer molekularer Systeme mit den Methoden der Röntgenspektroskopie. Das dabei angestrebte vertiefte Verständnis der Grundlagen von katalytischen oder Grenzflächenprozessen auf atomarer Ebene könnte eines Tages neue Möglichkeiten ihrer Kontrolle aufzeigen.

Als es Wilhelm Röntgen im Jahre 1895 gelang, mit der später nach ihm benannten Strahlung in das Körperinnere zu schauen, war eine neue Ära eingeleitet. Während uns heute die damit verbundenen Diagnosemöglichkeiten in der Medizin allgegenwärtig sind, wird die Röntgenstrahlung inzwischen zunehmend auch in vielfältigen weiteren Forschungsgebieten genutzt.

Kontakte:
Universität Rostock
Institut für Physik
Prof. Dr. Oliver Kühn
Fon: +49 (0)381 498 6700 / 498 6950
Mail: oliver.kuehn@uni-rostock.de
Web: http://web.physik.uni-rostock.de/quantendynamik
FU Berlin
Department of Physics at FU-Berlin &
Department of Functional Materials in Solution at HZB
Prof. Dr. Emad F. Aziz
Fon: +49 (030) 8062 13452 oder +49 (030) 8062 15003
Mail: emad.aziz@helmholtz-berlin.de
Web: http://www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag/ag-aziz/index.html or
http://www.helmholtz-berlin.de/forschung/funkma/materialien-loesung/index_de.html

Ingrid Rieck | Universität Rostock
Weitere Informationen:
http://www.uni-rostock.de
http://www.helmholtz-berlin.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Unser Gehirn behält das Unerwartete im Blick
17.08.2018 | Philipps-Universität Marburg

nachricht Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt
16.08.2018 | Universität Bern

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: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Im Focus: Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

Computersimulationen zeigen neues Verhalten von Antiskyrmionen bei zunehmenden elektrischen Strömen

Skyrmionen sind magnetische Nanopartikel, die als vielversprechende Kandidaten für neue Technologien zur Datenspeicherung und Informationsverarbeitung gelten....

Im Focus: Unraveling the nature of 'whistlers' from space in the lab

A new study sheds light on how ultralow frequency radio waves and plasmas interact

Scientists at the University of California, Los Angeles present new research on a curious cosmic phenomenon known as "whistlers" -- very low frequency packets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Bionik im Leichtbau

17.08.2018 | Verfahrenstechnologie

Klimafolgenforschung in Hannover: Kleine Pflanzen gegen große Wellen

17.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

HAWK-Ingenieurinnen und -Ingenieure entwickeln die leichteste 9to-LKW-Achse ihrer Art

17.08.2018 | Messenachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics