Quanteneffekt nachgewiesen: Kohlenstoffatome sind nicht nur Teilchen, sie können sich auch wie eine Welle verhalten. Dadurch können auch sie eine Energiebarriere durchtunneln, wie nun ein Experiment demonstriert. Bei diesem lagerten sich Kohlenstoffatome in einem komplexen Ringmolekül um, obwohl ihnen dafür eigentlich die Energie fehlte. Nur der Quanteneffekt des Tunnelns könne dies daher ermöglicht haben, so die Chemiker.
Die Welt der kleinsten Teilchen folgt ganz eigenen Regeln. So lassen sich im Gegensatz zur Makrowelt der Zustand und Aufenthaltsort eines Quantenteilchens nicht immer eindeutig festlegen. Ein Photon beispielsweise kann sich je nach Situation mal wie eine Welle verhalten, mal wie ein festes Teilchen. Aus der Heisenbergschen Unschärfe-Relation ergibt sich zudem, dass sich der konkrete Aufenthaltsort eines Teilchens meist nur als Aufenthaltswahrscheinlichkeit schätzen lässt.
Tunnel-Effekt: Einfach durch die Wand
Die Folge davon: Während ein Fußball von einer Wand abprallt, kann ein Quantenteilchen ein Hindernis durchdringen – denn seine Wellenfunktion beinhaltet auch eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit jenseits der Barriere. Selbst wenn seine Energie dafür eigentlich nicht ausriecht, kann ein Elektron so eine Potentialbarriere überwinden. In der Quantenphysik spricht man bei diesem Effekt vom Tunneln.
„Das ist, als würde ein Tiger seinen Käfig verlassen, ohne über den Zaun zu springen, der viel zu hoch für ihn ist“, veranschaulicht Wolfram Sander von der Ruhr-Universität Bochum dieses scheinbare Paradoxon. „Er kommt aber trotzdem raus.“ Bei leichteren Teilchen wie Elektronen oder Wasserstoffatomen ist dieser Tunnel-Effekt schon recht gut erforscht. Wie schwere Atome tunneln, wurde bisher jedoch erst sehr selten beobachtet.
Platzwechsel im Ringmolekül
Dem Team um Wolfang Sander ist es nun gelungen, Kohlenstoffatome auf frischer Tat beim Tunneln zu ertappen. Die Forscher nutzten dafür ein aus mehreren verknüpften Kohlenstoffringen bestehendes Molekül, ein Bullvalen. Bei diesem kommt eine spezielle Reaktion vor, die sogenannte Cope-Umlagerung. Dabei ändern Kohlenstoffatome in mehreren Schritten ihre Position, so dass sich die Bindungen im Molekül umlagern. Am Ende haben zwar die Einzelatome ihre Plätze gewechselt, es kommt jedoch das gleiche Molekül dabei heraus.
Für ihr Experiment ersetzten die Chemiker ein Wasserstoffatom an einem der Kohlenstoffatome durch Deuterium und markierten es damit. Weil das Deuterium bei Umlagerung mitwandert, hat das Bullvalen nun vor und nach der Cope-Umlagerung einen leicht unterschiedlichen Energiezustand. Der Clou dabei: Kühlt man das Molekül auf extrem tiefe Temperaturen ab, fehlt die Energie für diese Umlagerung – sie dürfte daher nicht stattfinden.
Tunneln machts möglich
Doch beim Experiment zeigte sich: Die Kohlenstoffatome im Bullvalen lagerten sich trotzdem um. Sie überwanden die energetische Barriere, obwohl sie eigentlich nicht genug Energie besitzen, um das zu tun. Das jedoch ist nur möglich, wenn die Kohlenstoffatome getunnelt sind, wie die Forscher berichten. Die Cope-Umlagerung bei extrem tiefen Temperaturen lasse sich nur durch einen Tunneleffekt erklären.
„Weil diese Reaktion trotz einer Energiebarriere von 4,8 Kilokalorien pro Mol mit konstanter Rate von 10.000 pro Sekunde ablief, spricht dies für ein Tunneln der schweren Atome“, konstatieren Schleif und seine Kollegen. Das belegt, dass auch Kohlenstoffatome Quanteneffekte zeigen können – und liefert erstmals den experimentellen Beweis, dass dieses Tunneln bei der Cope-Umlagerung zum Tragen kommt. (Angewandte Chemie, 20167; doi: 10.1002/ange.201704787)
(Ruhr-Universität Bochum, 10.07.2017 – NPO)
