Moleküle mit "Haut und Knochen"

Moleküle mit „Haut und Knochen“

Eine neue Technik erlaubt es, Elektronenhülle und Atomkerne eines Moleküls gleichzeitig abzubilden.

Frankfurt – eine Art Röntgenbild, das bei einem Molekül gleichzeitig die Elektronenhülle an der Oberfläche (der Haut) und das innere Gerüste aus Atomkernen (dem Skelett) abbildet, ermöglicht eine neue Technik, die Atomphysiker der Universität Frankfurter in Zusammenarbeit mit kanadischen Kollegen entwickelt haben. Mithilfe ultrakurzer Laserpulse und des Frankfurter COLTRIMS-Detektors gelang es, in einer einzigen Messung sowohl Abstand der Kerne, als auch die Struktur der bindenden Elektronen-Orbitale zu bestimmen. Dies ist eine wichtige Etappe auf dem Weg zu einem Traum der Atomphysiker und Chemiker: Sie möchten quasi in Echtzeit beobachten, wie Moleküle sich währende einer chemischen Reaktion verändern. „Umfassende Strukturinformationen können wir jetzt dank der COLTRIMS-Technologie gewinnen, nun geht es darum, Bilder in so schneller Folge aufzunehmen, dass wir einen Film erhalten“, erklärt Reinhard Dörner, Professor am Institut für Kernphysik der Universität Frankfurt.

Moritz Meckel, inzwischen Doktorand in der Gruppe von Dörner, führte die Messungen während eines einjährigen Aufenthaltes am National Research Council in Ottawa durch. Die großflächigen Detektorplatten des COLTRIMS ermöglichen es, alle geladenen „Bruchstücke“ von Atom- und Molekülumwandlungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Genauigkeit nachweisen, sodass man Reaktionen in drei Dimension rekonstruieren kann. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Science“ mitteilen, lag der Schlüssel für den jetzigen Durchbruch in der Datenanalyse, denn der gesuchte Effekt war so klein wie eine Unebenheit auf der Flanke eines großen Berges. Meckel erinnert sich an die Aufregung seiner Kollegen, als er zum ersten Mal die so analysierten Daten vorstellte. Als Testobjekte hatte er Stickstoff und Sauerstoff-Moleküle ausgewählt, weil deren Elektronenstruktur bereits bekannt ist und er so überprüfen konnte, ob seine Datenanalyse richtig war: „Allen fiel es wie Schuppen von den Augen, dass dies die richte Art war, die gesuchten Informationen im Datensatz zu finden.“

Abb. 1: Ein starkes Laserfeld zieht einen Teil der Elektronenhülle des Sauerstoffmoleküls nach rechts, wo er mit einem COLTRIMS Detektor sichtbar gemacht wird (oben). Ein Teil dieser Elektronen wird vom Laser auf das Molekül zurückgeschleudert und erzeugt ein Beugungsbild des Molekülgerüstes. (Quelle: Andre Staudte)

Die neuartige Methode arbeitet mit einem ultrakurzen Laserpuls, der die Moleküle ausrichtet. Ein zweiter, wesentlich stärkerer Laserpuls, der anschließend auf das Molekül geschossen wird, hat ein so starkes elektrisches Feld, dass ein Elektron aus dem Molekül herausgezogen wird.

Ungefähr die Hälfte der herausgelösten Elektronen fliegt direkt zum Detektor. Die Verteilung dieser „direkten“ Elektronen trägt, wie die Forscher zeigten, den „Fingerabdruck“ des ionisierten Molekül-Orbitals. Paul Corkum, in dessen Labor die Messungen durchgeführt wurden, vergleicht diesen Effekt mit einem Raster-Tunnelmikroskop, das um das Molekül herumgefahren werden kann. So erhält man Informationen über die Elektronenhülle, die „Haut“ des Moleküls.

Abb. 2: COLTRIMS Technik: Ein Laserstrahl zerlegt die Gasmoleküle. Die entstehenden Elektronen (rote Kugel) und Ionen (blaue Kugel) werden von elektrischen und magnetischen Feldern auf bildgebende Detektoren geleitet. (Quelle: Reinhard Dörner)

Die andere Hälfte der herausgelösten Elektronen wird im elektrischen Feld des Lasers auf das Molekül hin zurück beschleunigt und kann dort elastisch streuen – in direkter Analogie zu konventionellen Elektronenstreuexperimenten, in denen die Abstände zwischen den Atomkernen anhand von Beugungsmustern bestimmt werden. Da jedoch das Streuelektron direkt am zu untersuchenden Molekül erzeugt wird, ist die Wahrscheinlichkeit einer Streuung um viele Größenordnungen höher. Man erhält ein entsprechend scharfes Bild des „Knochengerüsts“. Hinzu kommt, dass die Streuung innerhalb einer halben, extrem kurzen Schwingungsperiode des Laserfeldes von wenigen Femtosekunden stattfindet. Damit ist prinzipiell eine Zeitauflösung vom Bruchteil einer Schwingungsperiode möglich.

Genau darin sieht Reinhard Dörner das große Potenzial in der Methode: „Moleküle und deren Orbitale können zeitaufgelöst untersucht werden.“ Nur wenige Femtosekunden dauernde Laserpulse erlauben es, in chemischen Reaktionen die Umordnung der Atome zu verfolgen. Mithilfe der Femtochemie, für deren Entwicklung Ahmed Zewail 1999 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wurde, kann man die Bindungsenergie der Elektronen während einer Reaktion in Echtzeit messen. Die Frankfurter Methode verspricht nun, zum ersten Mal auch die Änderung der elektronischen Struktur in Echtzeit zu verfolgen.

Quelle: Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt (Main)

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  M. Meckel, D. Comtois, D. Zeidler, A. Staudte, D. Pavicic, H. C. Bandulet, H. Pépin, J. C. Kieffer, R. Dörner, D. M. Villeneuve und P. B. Corkum, Laser-Induced Electron Tunneling and Diffraction, Science 320, 1478 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1157980
• Institut für Kernphysik, Universität Frankfurt:
  http://www.uni-frankfurt.de/fb/fb13/ikf/
• Experimentelle Atom Physik, Universität Frankfurt – Horst Schmidt-Böcking und Reinhard Dörner:
  http://www.atom.uni-frankfurt.de
• Steacie Institute for Molecular Sciences (SIMS) National Research Council, Ottawa – Paul Corkum:
  http://steacie.nrc-cnrc.gc.ca