Kohlenstoff zeigt Quanteneffekte

Auch Kohlenstoffatome verhalten sich nicht nur wie Teilchen, sondern auch wie Wellen ver­halten. Das konnten jetzt Forscher der Uni Bochum zeigen. „Unser Ergebnis ist eines von wenigen Beispielen dafür, dass Kohlen­stoff­atome Quanten­effekte zeigen können“, sagt Wolfram Sander von der Uni Bochum. Konkret beob­ach­teten die Forscher, dass Kohlen­stoff­atome tunneln können. Die Wahr­schein­lich­keit, mit der ein Objekt in der Lage ist zu tunneln, hängt von seiner Masse ab. Daher kann das Phänomen zum Beispiel für die leichten Elek­tronen deut­lich ein­facher beob­achtet werden als für das relativ schwere Kohlen­stoff­atom.

Die Forscher untersuchten die Tunnelreaktion anhand der Cope-Umlagerung, einer seit fast achtzig Jahren be­kannten che­mischen Reaktion. Das Aus­gangs­molekül für die Reak­tion, eine Kohlen­wasser­stoff­ver­bin­dung, ist dabei iden­tisch mit dem Produkt­molekül. Vor und nach der Reaktion liegt also die gleiche chemische Verbin­dung vor. Aller­dings ver­knüpfen sich die Kohlen­stoff­atome in dem Prozess neu, die Bindungen in dem Molekül ver­lagern sich also.

In ihrem Experiment markierten die Forscher ein Kohlen­stoff­atom des Aus­gangs­moleküls: Sie er­setzten eines der daran gebun­denen Wasser­stoff­atome durch das Wasser­stoff­isotop Deute­rium. Moleküle vor und nach der Cope-Umlage­rung unter­schieden sich in der Vertei­lung des Deute­riums. Auf­grund dieser unter­schied­lichen Vertei­lungen besaßen die beiden Molekül­formen leicht unter­schied­liche Energien.

Bei Raumtemperatur wirkt sich dieser Unterschied nicht aus, aufgrund der in der Umge­bung reich­lich vorhan­denen Wärme­energie liegen beide Formen gleich häufig vor. Bei sehr tiefen Tempe­ra­turen unter zehn Kelvin wird aller­dings eine Molekül­form auf­grund des Energie­unter­schieds stark bevor­zugt. Beim Über­gang von Raum­tempe­ratur zu extrem tiefen Tempe­ra­turen müsste sich das Gleich­gewicht von einer gleich­häufigen Ver­teilung der beiden Formen zu einer un­gleichen Vertei­lung ver­schieben.

Diese Verschiebung kann aber unmöglich auf klassischem Weg statt­finden – denn für die Umlage­rung von einer in die andere Form müsste eine Energie­barriere über­wunden werden, wofür weder das Molekül selbst die Energie besitzt noch die kalte Umge­bung diese liefern kann. Obwohl sich das neue Gleich­gewicht auf klassi­schem Wege nicht ein­stellen dürfte, konnten die Forscher es trotz­dem im Experi­ment nach­weisen. Ihr Fazit: Die Cope-Umlage­rung bei extrem tiefen Tempe­ra­turen lässt sich nur durch einen Tunnel­effekt erklären. Damit lieferten sie experi­men­telle Belege für eine Voraus­sage, die Weston Borden von der Univer­sity of Northern Texas vor mehr als fünf Jahren auf­grund theore­tischer Studien getätigt hatte.

Sander erforscht die Wechselwirkungen von Lösungs­mitteln und gelösten Mole­külen. „Es ist bekannt, dass Lösungs­mittel die Fähig­keit zu tunneln beein­flussen“, sagt der Wissen­schaftler. „Aber es ist bis­lang völlig unver­standen, wie sie das tun.“

RUB / RK