Protonen sind die Elementarteilchen, die bei einer chemischen Reaktion mit am schnellsten ausgetauscht und umgelagert werden. Daher war die Beobachtung ihrer Bewegungen bisher kaum möglich. Jetzt ist dies Forschern mithilfe einer neuen Lasertechnik gelungen. Die Methode eröffnet neue Einblicke in fundamentale Prozesse der Chemie und Biologie, wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe von „Science“ berichten.
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Die hohe Geschwindigkeit, mit der sich Protonen während chemischer Reaktionen, bewegen, kann nur in unglaublich winzigen Zeiteinheiten, den Attosekunden überhaupt erfasst werden. Eine Attosekunde entspricht dabei gerade mal einem Milliardstel einer Milliardstelsekunde. “Eine Sekunde in Intervalle so winzig wie 100 Attosekunden aufzuteilen, wie es unsere neue Technik ermöglicht, ist extrem schwer vorstellbar“, erklärt John Tisch vom Imperial College London, der die Messungen gemeinsam mit Kollegen durchführte. „Es ist als wenn man die 630 Millionen Kilometer von hier zum Jupiter in Stücke so klein wie ein menschliches Haar aufteilt.“
Lichtpulse verrücken Elektronen
Um in diesen minimalen Zeiteinheiten messen zu können, setzten die Wissenschaftler eine Lasertechnik an Wasserstoff- und Methanmolekülen ein, die extrem kurze Lichtpulse produzierte. Dieses pulsierende Licht wiederum erzeugte ein oszillierendes elektrisches Feld, dass eine starke Kraft auf die Elektronen im untersuchten Molekül ausübte. Im Wechsel zog es die Elektronen wiederholt von den Protonen, um die sie kreisten, weg und schob sie wieder zu ihnen hin.
Bei diesem Prozess setzten die Elektronen Energie als Röntgenstrahlung frei, wenn sie in ihren ursprünglichen Zustand zurück gelangen. Wie stark diese Strahlung ist, hängt davon ab, wie weit sich die Protonen zwischen dem Entfernen der Elektronen und ihrer Rückkehr bewegt haben: Je weiter es in der Zwischenzeit gewandert ist, desto geringer die Intensität des Röntgenstrahls. Durch Messung der Strahlung können die Forscher so auf die Bewegung der Protonen schließen.
„Wir sind sehr aufgeregt über diese Ergebnisse“, erklärt Sarah Baker, Hauptautorin der Studie. „Nicht nur, weil wir die Bewegung schneller ‚beobachtet’ haben, als jemals zuvor möglich, sondern auch, weil wir dies mit einer kompakten und simplen Technik erreicht haben, die solche Untersuchungen Wissenschaftlern rund um die Welt zugänglich machen.“
Basis für Zukunftstechnologien
Diese neue Technik öffnet den Wissenschaftlern einen neuen Zugang zur Beobachtung und Kontrolle der ultraschnellen Dynamik von Molekülen in chemischen Prozessen, darunter auch dem Verhalten der biochemischen Bausteine des Lebens.
„Ein Zugriff dieser Art ermöglicht eine ganze Reihe von Zukunftstechnologien, darunter die Kontrolle von chemischen Reaktionen, Quantencomputer und hochleuchtende Röntgenquellen für die Materialverarbeitung“, kommentiert Jon Marangos, Direktor des Blackett Laboratory Laser Consortium am Imperial College. „Wir haben jetzt einen sehr viel klareren Einblick in das, was innerhalb von Molekülen geschieht und das macht es uns möglich, die Theorien zur molekularen Struktur und Bewegung jetzt gründlicher zu testen. Es führt wahrscheinlich auch zu verbesserten Methoden der molekularen Synthese und der Nanofabrikation einer ganz neuen Generation von Materialien.“
(Imperial College London, 03.03.2006 – NPO)
