Chamäleon im All: Strukturgeheimnisse von wandelbaren Molekülen entschlüsselt

Was es alles in den unendlichen Weiten des Weltalls gibt, ist unklar. Etwas Licht ins Dunkel brachte kürzlich das Team von Prof. Dr. Dominik Marx vom Lehrstuhl für Theoretische Chemie der RUB in Kooperation mit dem Physikalischen Institut der Universität zu Köln und dem FOM Institut für Plasmaphysik in Rijnhuizen (Niederlande). Die Forscher untersuchten die Bewegungen der Wasserstoffatome in protoniertem Methan (CH5+), das in interstellaren Wolken vorkommt und permanent seine Struktur ändert.

Mit Hilfe einer Kombination von molekulardynamischen Simulationen und Experimenten fanden sie heraus, wie die Bewegungen im Molekül beeinflusst werden, wenn Wasserstoff durch seinen schweren Bruder Deuterium ersetzt wird. Die Ergebnisse wurden nun in der renommierten Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.

Lieblingsplatz im Molekül

In den meisten Molekülen haben alle Atome ihre festen Plätze, doch in protoniertem Methan befinden sich fünf Wasserstoffatome in ständiger Bewegung um einen Kohlenstoffkern. Diese Bewegung ist nicht vollkommen zufällig, sondern die Wasserstoffatome sortieren sich bevorzugt in eine Zweiergruppe (H2) und ein Dreibein (CH3). Weitaus weniger bekannt war über die Bewegungen in ähnlichen Molekülen (Isotopologen), in denen ein oder mehrere Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt sind, das auch in schwerem Wasser vorkommt. Gemeinsam mit ihren Kooperationspartnern erforschten die RUB-Chemiker die Lieblingsplätze von Deuterium und Wasserstoff im Molekül.

Atomtausch

Um den Lieblingsplätzen auf die Spur zu kommen, tauschten die Wissenschaftler schrittweise die Wasserstoffatome gegen Deuterium aus und zeichneten für jedes Isotopolog ein Infrarotspektrum auf, das Auskunft über die Bewegungen im Molekül gibt. Hierzu wurden die Moleküle in einem Ionenspeicher festgehalten, auf tiefe Temperaturen gekühlt und mit dem Infrarotlaser des FOM-Instituts für Plasmaphysik beleuchtet. Die so gewonnenen Spektren unterschieden sich erheblich für die verschiedenen Isotopologe. Erst durch spezielle Computersimulationen der Bochumer Chemiker war es möglich, diese Daten zu interpretieren. Eine einfache Simulation nach den Gesetzen der klassischen Mechanik reichte hierfür nicht aus, sondern die Quantennatur der Kerne musste mit berücksichtigt werden. So konnten die Forscher zeigen, dass das Deuterium sich bevorzugt im Dreibein und der Wasserstoff bevorzugt in der Zweiergruppe des Moleküls aufhält.

Neue Geheimnisse

Die Ergebnisse der Bochumer Chemiker und ihrer Kooperationspartner sind nicht auf protoniertes Methan und seine Isotopologe beschränkt. Da es eine ganze Klasse von Molekülen gibt, in denen Atome ihre Plätze tauschen, werden die neuen Daten helfen, auch ihren Geheimnissen auf die Spur zu kommen.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Dominik Marx, Lehrstuhl für Theoretische Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-28083, dominik.marx@rub.de

Prof. Dr. Stephan Schlemmer, Physikalisches Institut, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Universität zu Köln, Tel. 0221/470 5736, schlemmer@ph1.uni-koeln.de

Titelaufnahme

Sergei Ivanov, Oskar Asvany, Alexander Witt, Edouard Hugo, Gerald Mathias, Britta Redlich, Dominik Marx, Stephan Schlemmer: Quantum-induced symmetry breaking explains infrared spectra of CH5+ isotopologues. In: Nature Chemistry (Advanced Online Publication); DOI: 10.1038/NCHEM.574

Redaktion: Julia Weiler