Kontrollierte chemische Reaktionen mit einzelnen Molekülen
Erstmals ist es gelungen, einen Ladungstransfer mit einzelnen lokalisierten Molekülen durchzuführen und mit dem Computer zu analysieren.
Die Reaktivität einer chemischen Verbindung, also ihre Fähigkeit in einer chemischen Reaktion umgesetzt zu werden, wird maßgeblich durch ihren Energieinhalt beeinflusst. Dieser wiederum äußert sich in der Bewegung der Moleküle. So kann sich ein Molekül im Raum bewegen (Translation), drehen (Rotation) oder schwingen (Vibration). Gelingt es, die einzelnen Formen der molekularen Bewegung gezielt zu manipulieren, kann man ihren Einfluss auf die chemische Reaktivität untersuchen und ausnutzen. Diese absolute Kontrolle über Moleküle und ihre Reaktionen ist ein wichtiges Ziel in der Chemie.
Abb. Fluoreszenzaufnahme eines Coulomb-Kristalls aus lasergekühlten Calcium-Ionen sowie 24 sympathetisch gekühlten, nicht fluoreszierenden N2+-Molekülionen in der Mitte. (Bild: U. Basel)
Eine Kontrolle der Geschwindigkeit (Translationsenergie) gelingt durch eine extreme Abkühlung nahe an den absoluten Nullpunkt (ca. -273 Grad Celsius). In Experimenten am Departement Chemie der Universität Basel haben Forscher im Ultrahochvakuum einzelne elektrisch geladene Moleküle im elektrischen Feld einer Ionenfalle festgehalten und durch den Kontakt mit lasergekühlten Calcium-Ionen in einem „Coulomb-Kristall“ fixiert.
Die Arbeitsgruppe um Stefan Willitsch hat diese Methode verfeinert, indem sie die Vibrations- und Rotationsenergie der Molekülionen bereits vor der Abkühlung festgelegt hat und somit die wichtigsten Bewegungsformen der Moleküle präzise kontrollieren konnte. Die räumliche Fixierung der Teilchen steigerte die Empfindlichkeit des Experiments zusätzlich und ermöglichte die Untersuchung chemischer Prozesse mit einzelnen isolierten Molekülen.
Beim Ladungstransfer, den die Forscher untersucht haben, wird die positive Ladung von einem Stickstoffmolekül auf ein anderes übertragen. Die Arbeitsgruppe Willitsch ließ einen Strahl von N2-Molekülen mit lokalisierten N2+-Molekülionen jeweils definierter Energie kollidieren. Die Interpretation der Messergebnisse gelang mithilfe von Computersimulationen, welche die Gruppe von Markus Meuwly durchführte. Im Zusammenspiel von Theorie und Experiment konnten die Forscher erstmals detailliert zeigen, wie im Verlauf eines Ladungstransfers Translationsenergie in Rotationsenergie umgewandelt wird.
Die Forscher erhoffen sich von diesen hochpräzisen Experimenten ein tieferes Verständnis der chemischen Reaktivität, was letztlich zu einer besseren Kontrolle chemischer Reaktionen führen soll.
U. Basel / PH
