Molekülen zugeschaut

Mittels kurzer, intensiver Lichtpulse maßen Forscher die Dauer einer Isomerisierung.

Live zu beobachten, wie ein Molekül seine Form verändert oder seine Bestandteile umarrangiert – das ist der Ehrgeiz vieler Wissenschaftler. Nun sind Forscher des Heidelberger Max-Planck-Insitituts für Kernphysik dem Ziel einen Schritt nähergekommen. Mit einer Art Stoppuhr aus intensiven Pulsen von extrem ultraviolettem (EUV) Licht haben sie erstmals gemessen wie lange eine Isomerisierung dauert.

Wie Isomere sich ineinander verwandeln spielt in der Biochemie eine besonders wichtige Rolle, etwa beim Sehen. Auf die Netzhaut fallendes Licht bewirkt dort die Formänderung eines Proteins. Wie das Umlegen eines Schalters löst diese Isomerisierung das Senden eines elektrischen Impulses an das Gehirn aus. Aber auch in der Technik könnten Isomere benutzt werden: Das Hin- und Herschalten zwischen zwei Isomeren, die eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit aufweisen, könnte den Stromfluss in elektrischen Schaltkreisen der Zukunft steuern. Solche nur molekülgroßen Schalter wären kleiner und schneller als die Transistoren in heutigen Computerchips.

Die Forscher um Robert Moshammer und Joachim Ullrich vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg untersuchten das einfache organische Molekül Acetylen (C₂H₂), welches aus zwei miteinander verbundenen Kohlenstoff-Atomen besteht, an die je ein Wasserstoff-Atom gebunden ist. Mit der nötigen Anregungsenergie versorgt wandelt sich ein Teil der Moleküle in das Isomer Vinyliden um, in dem beide Wasserstoff-Atome an eines der beiden Kohlenstoff-Atome gebunden sind. Den Messungen der Forscher zufolge dauert die Umwandlungsreaktion 52+/-15 Femtosekunden. „Das Ergebnis passt gut zu bisherigen groben Schätzungen, die auf indirekten Experimenten beruhten, welche den Protonentransfer nicht nachweisen konnten und Zeiten zwischen 50 und 100 Femtosekunden abschätzten“, sagt Yuhai Jiang, der die Daten auswertete.

Zunächst regt ein intensiver EUV-Puls Acetylen-Moleküle energetisch an. Die Anregung löst die Isomerisierung aus. Um den Fortschritt dieser Umwandlung zu erfassen, zertrümmert nach einer gewissen Zeitspanne ein zweiter EUV-Puls das Molekül. Ein Reaktionsmikroskop registriert die Bruchstücke und identifiziert sie. Je nachdem, ob dabei mehrheitlich Kohlenstoff-Atome mit gar keinem bzw. zwei Wasserstoff-Atomen, oder solche mit nur einem Wasserstoff-Atom registriert werden, ist die Isomerisierungsreaktion schon weit fortgeschritten oder nicht. Durch Variieren der Zeitspanne zwischen den beiden UV-Pulsen wird die Zeit herausgefunden, die das Proton benötigt, um von einem der Kohlenstoff-Atome zum anderen zu gelangen.

Die beiden Lichtpulse durften nur wenige Femtosekunden dauern, damit sie die Isomerisierung noch auflösen können. Zudem muss die EUV-Lichtquelle eine sehr hohe Intensität aufweisen, da nur ein geringer Anteil von Molekülen ein EUV-Photon absorbiert und mit einer Isomerisierung reagiert. „Die Kombination von äußerst kurzen und intensiven EUV-Pulsen steht erst seit Kurzem zur Verfügung, nämlich am Freie-Elektronen-Laser FLASH in Hamburg“, sagt Moshammer.

Nun wollen die Heidelberger Physiker größere Kohlenwasserstoff-Moleküle untersuchen, zum Beispiel Benzol-Ringe. Außerdem möchten sie die Flugbahnen der Bruchstücke von explodierenden Molekülen mit Hilfe eines Reaktionsmikroskops so genau zu vermessen, dass sie die räumliche Struktur des ursprünglichen Moleküls daraus rekonstruieren können. Das Ergebnis wäre ein Video der Reaktion.

MPI für Kernphysik / KK