05.08.2022

Exakter Blick auf Molekülorbitale

Abbildung der räumlichen Verteilung der Elektronen geglückt.

Orbitale zeigen ähnlich wie ein Foto in Langzeit­belichtung, wo sich Elektronen um ein Atom oder Molekül herum aufhalten. In Lehrbüchern werden sie oft als knallige Ballons oder Wolken dargestellt. Forschenden aus Jülich, Graz und Marburg ist nun ein wichtiger Schritt bei der Abbildung dieser räumlichen Verteilung der Elektronen geglückt. Ihnen gelang es erstmals, beide Arten von Molekül­orbitalen zu erfassen. Neben den Pi- können nun auch Sigma-Orbitale dargestellt werden. Das Verfahren hilft, chemische Reaktionen auf mole­kularer Ebene noch genauer zu beobachten.

Abb.: Betrachtung der Sigma-Orbitale verdeutlicht unterschiedliche chemische...
Abb.: Betrachtung der Sigma-Orbitale verdeutlicht unterschiedliche chemische Bindungs­zustände im Molekül Bisanthen. (Bild: FZJ / Haags et al., Sci. Adv.)

Vor einem Jahr hatten die Physiker des Forschungs­zentrums Jülich gemeinsam mit ihren Partnern eine Methode entwickelt, um Bilder von Elektronen­orbitalen in extrem hoher zeitlicher Auflösung aufzunehmen. Nun gelang es ihnen erstmals, durch eine Erweiterung des Energiebereichs mit dem Verfahren neben den Pi-Orbitalen auch Sigma-Orbitale sichtbar zu machen. Diese Molekül­orbitale entsprechen Bindungen zwischen Atomen. Sigma-Orbitale umschließen die gebunden Atome wie eine Hülle. Pi-Orbitale lagern sich dagegen üblicher­weise ober- und unterhalb der atomaren Ebene an. 

„Chemische Reaktionen sind letztlich nichts anderes als der Auf- und Abbau von chemischen Bindungen zwischen Atomen. Die Beobachtung der Molekül­orbitale ist eine faszinierende Möglichkeit, ein präzises Bild vom Reaktions­ablauf auf molekularer Ebene zu erlangen“, sagt Stefan Tautz, Leiter des Peter Grünberg Instituts für Quantum Nanoscience (PGI-3). „Man weiß vorher nicht, welche Orbitale sich verändern, daher ist es vorteilhaft, möglichst viele davon abbilden zu können.“

Die Experimente mit Synchrotron­strahlung wurden an der Metrology Light Source (MLS) der Physi­kalisch-Technischen Bundes­anstalt in Berlin in Zusammen­arbeit mit Mathias Richter und Alexander Gottwald durchgeführt. Die Jülicher Forschenden betreiben dort an einer kali­brierten Beamline einen speziellen Analysator für die Orbital-Tomographie. 

FZJ / JOL

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