Lichtbasierte Molekülsynthese

Im Mikrokosmos kann Licht das Spiel der Atome und Moleküle dirigieren. Forscher des Labors für Atto­sekunden­physik (LAP) des Max-Planck-Instituts für Quanten­optik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und des Departments für Chemie der LMU haben mit Licht Kohlen­wasser­stoffe umgebaut. Dazu lösten sie mit ultra­kurzen Laser­pulsen eines der äußeren Wasser­stoff­atome an einem Kohlen­wasser­stoff­molekül und dirigierten es anschließend auf die gegen­über­liegende Seite. Dort dockte das Proton wieder an. Die Methode hat das Potential, in Zukunft neue Stoffe mit Hilfe von Licht zu synthetisieren.

Alles passiert unvorstellbar schnell – innerhalb von wenigen Femto­sekunden. Ein ultra­kurzer Laserpuls trifft ein Acetylen-Molekül. Das symmetrisch, lang­gestreckte Kohlen­stoff­molekül mit jeweils einem Wasserstoff­atom an seinen äußeren Flanken, kommt ins Taumeln und wird ionisiert, wodurch sich das Molekül im Laser­feld ausrichtet. Anschließend löst sich blitz­schnell auf der einen Seite des Kohlen­stoffs ein Wasser­stoff­atom, wandert auf die andere Seite des Moleküls und dockt dort an.

Die Richtung dieser Reaktion haben Forscher des Labors für Atto­sekunden­physik des MPQ und der LMU und des Departments für Chemie der LMU gesteuert. Die experimentellen Beobachtungen und ihren grund­legenden Mechanismus haben Forscher der Gruppe von Regina de Vivie-Riedle mittels quanten­mechanischer Simulationen erklärt. Mit einem nur wenige Femto­sekunden langen Laserpuls beeinflussten die Physiker die Schwingungen eines Acetylen-Moleküls so, dass sie noch mit dem gleichen Lichtpuls das Ablösen eines bestimmten, d.h. des linken oder des rechten, Wasser­stoff­atoms erzwingen konnten. Die Wanderung des Wasser­stoff­atoms auf die andere Seite fand dann im ionischen Zustand des Moleküls von alleine statt. Es bildet sich Vinyliden. Neben Acetylen haben die Forscher auch Allene, das ebenfalls zur Gruppe der Kohlen­wasser­stoffe gehört, auf diese Weise umgebaut. Wie sie damit zeigen konnten, funktioniert ihre Methode auch für länger­kettige Kohlen­wasser­stoffe.

Bewegungen von Elektronen und Atomen sind elementare Vorgänge bei chemischen Prozessen in der Natur. Mit Laser­technologie ist der Mensch heute schon bedingt in der Lage, auf diese Bewegungen Einfluss zu nehmen. „Unsere Experimente haben gezeigt, dass wir nicht nur Elektronen im Mikro­kosmos dirigieren können, sondern auch die rund 2000 Mal schwereren Wasser­stoff­atome“, erklärt Matthias Kling, Leiter der Arbeits­gruppe Ultra­schnelle Nano­photonik im LAP-Team. „Für den zugrunde liegenden Mechanismus ist in beiden Fällen die Wellen­natur der kontrollierten Teilchen verantwortlich“ erläutert de Vivie-Riedle.

Die Forscher haben es mit ihrem Versuch geschafft, mit Licht Materie neu zu definieren. „Wir hoffen, mit unserer Methode künftig die verschiedensten Arten von Stoffen zerlegen und neu zusammen­setzen zu können“, sagt Kling. Eine solche, licht­gesteuerte Synthese von Materie könnte es künftig ermöglichen, ganz neue Stoffe zu erschaffen. Gerade in der Medizin und dem damit verbundenen Design neuer Medikamente ist diese Perspektive besonders reizvoll.

MPQ / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Kübel et al.: Steering Proton Migration in Hydrocarbons Using Intense Few-Cycle Laser Fields, Phys. Rev. Lett. 116, 193001 (2016); DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.193001
• Ultraschnelle Nanophotonik (Matthias Kling), Ludwig-Maximilians-Universität München
• Theoretische Femtochemie (R. de Vivie-Riedle), Ludwig-Maximilians-Universität München