Zeitlupe für Moleküle: Forscher haben die wahrscheinlich kälteste chemische Reaktion der Welt ausgelöst – und eine der langsamsten. Denn durch Abkühlen auf nur 500 Nanokelvin verlangsamte sich die Reaktion der Testmoleküle von wenigen Femtosekunden auf hunderte Nanosekunden – und wurde so mitsamt aller Zwischenschritte beobachtbar. Sogar Eingriffe in den Reaktionsverlauf wären so möglich, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten.
Chemische Reaktionen und die dadurch entstehenden Bindungen sind die Grundlage nahezu aller Materie – entsprechend wichtig ist es, Gesetzmäßigkeiten und Abläufe solcher Reaktionen genau zu kennen. Doch im Normalfall laufen sie viel zu schnell ab, um sie beobachten zu können. Erst in den letzten Jahren ist es Forschern unter anderem mithilfe von speziellen Lasern gelungen, Moleküle erstmals „auf frischer Tat“ zu ertappen und sogar die Rotation von Molekülen zu filmen.
Bremse für Moleküle
Doch es geht auch anders: Statt ultraschnelle Schnapsschüsse einzufangen, haben Ming-Guang Hu von der Harvard University und seine Kollegen eine chemische Reaktion extrem verlangsamt. Dies erreichten sie, indem sie die Moleküle bis auf 500 Nanokelvin abkühlten – nur Bruchteile über dem absoluten Nullpunkt. In diesem Zustand fallen die Moleküle in den energieärmsten Zustand und schwingen kaum noch.
Als Folge laufen auch chemische Reaktionen bei dieser extremen Kälte wie in Zeitlupe ab, denn es fehlt an Energie für schnellere Umlagerungen und Bewegungen. Das macht es möglich, die Zwischenschritte der Reaktion genau zu beobachten und auch die kurzlebigen Übergangszustände. Doch das setzt voraus, dass man eine Reaktion bei so extremer Kälte in Gang bringen und verfolgen kann.
Kälteste je erzeugte Reaktion
Genau dies ist Hu und seinem Team nun erstmals gelungen. In ihrem kühlten sie zunächst Rubidium- und Kaliumatome bis fast auf den absoluten Nullpunkt herunter. Durch Magnetfelder und gezielte Laserpulse ließen sie diese Atome dann zu Kalium-Rubidium-Molekülen (KRb) reagieren. Jeweils rund 5.000 dieser Moleküle hielten sie in einer optischen Falle bei 500 Nanokelvin fest. Dann lösten sie durch ultrakurze UV-Laserpulse die Ionisation und den Zerfall dieser Moleküle aus.
„Zurzeit – und wahrscheinlich auch noch in den nächsten Jahren – sind wir das einzige Labor weltweit, das so etwas durchführen kann“, sagt Hu. Denn ihr Versuchsaufbau erlaubt es, trotz ultrakalter Bedingungen dennoch chemische Reaktionen auslösen und zu beobachten – quasi die kältesten chemischen Bindungen und Bindungsbrüche der Welt.
Zwischenprodukt „eingefroren“
Das Entscheidende jedoch: Durch die extreme Kälte verlangsamte sich die Reaktion der Moleküle erheblich – von wenige Femtosekunden auf hunderte Nanosekunden. Dadurch konnten die Forscher erstmals den Übergangszustand zwischen den intakten KRb-Molekülen und der Bildung einzelner Kalium- und Rubidiummoleküle (K2, Rb2) beobachten und quasi „einfrieren“. Bei diesem Zwischenprodukt lagern sich zwei KRb-Moleküle zusammen und bilden den angeregten Ionenkomplex K2Rb2*, wie die Forscher erklären.
„Aus der Signalstärke unserer Beobachtungen schließen wir auf eine Lebensdauer dieses Zwischenproduktes von rund 350 Nanosekunden“, berichten Hu und sein Team. Damit hatte sich die Lebensdauer dieses normalerweise ultraflüchtigen Übergangszustands um mehr als das Hundertfache verlängert. Dieses Zeitfenster ermöglichte es, den Quantenzustand dieses Übergangszustands und sein Verhalten erstmals genauer zu untersuchen.
Neue Einblicke in die Dynamik von Reaktionen
Nach Ansicht der Forscher könnte ihre Methode dazu beitragen, künftig auch weitere Reaktionen und Moleküle in dieser Form der „Zeitlupe“ zu untersuchen. „Diese Technik ebnet den Weg für weitere Studien der Reaktionsdynamik unter ultrakalten Bedingungen – und dies bis in den Quantenzustand hinein aufgelöst“, konstatieren Hu und sein Team.
Im nächsten Schritt planen sie bereits, in die verlangsamte Reaktion einzugreifen, indem sie beispielsweise einzelne Moleküle anstoßen oder anderweitig manipulieren. „Unser Zeitfenster ist lang genug, um solche Untersuchungen durchzuführen“, sagt Hu. Die verborgene Welt der chemischen Reaktionen könnte dadurch zumindest einige ihre Geheimnisse preisgeben. (Science, 2019; doi: 10.1126/science.aay9531)
Quelle: Harvard University
