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Chemische Reaktionen Molekulare Bewegungen bei chemischen Reaktionen beobachtet

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Forscher des Berliner Max-Born-Instituts messen die Position von Elektronen und Protonen während einer chemischen Reaktion direkt mit ultrakurzen Röntgenblitzen.

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1 Ein Blick in die Kristallstruktur von Ammoniumsulfat (gelb: Schwefel, rot: Sauerstoff, blau: Stickstoff und grau: Wasserstoff) ... (Bilder: MBI)
1 Ein Blick in die Kristallstruktur von Ammoniumsulfat (gelb: Schwefel, rot: Sauerstoff, blau: Stickstoff und grau: Wasserstoff) ... (Bilder: MBI)
( Archiv: Vogel Business Media )

Berlin - Eine chemische Reaktion erzeugt aus einem oder mehreren Ausgangsstoffen neue Substanzen. Auf der Ebene der beteiligten Moleküle ändert sich dabei die räumliche Anordnung von Elektronen und Atomkernen. Während man die Struktur der ursprünglichen und der erzeugten Moleküle häufig gut bestimmen kann, sind die Strukturen und molekularen Bewegungen während der Reaktion meist unbekannt. Ihre Kenntnis ist für ein genaues Verständnis der Reaktion aber unverzichtbar.

Ein Traum ist deshalb ein ultraschnelles „Reaktionsmikroskop“, mit dem sich Moleküle während einer Reaktion beobachten lassen. Die technologischen Herausforderungen dafür sind in jüngster Zeit erfolgreich gemeistert worden. Forscher am Berliner Max-Born-Institut haben jetzt mithilfe von Röntgenimpulsen eine chemische Reaktion in bewegten Bildern auf atomaren Längen- und Zeit-Skalen, also im Bereich von 10-10 Metern und 10-13 Sekunden, dargestellt.

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Aufnahme ultrakurzer Röntgenblitze erzeugt bewegtes Bild

Michael Wörner, Flavio Zamponi, Zunaira Ansari, Jens Dreyer, Benjamin Freyer, Mirabelle Premont-Schwarz und Thomas Elsässer berichten aktuell über die direkt zeitaufgelöste Beobachtung einer chemischen Reaktion in Ammoniumsulfat-Kristallen [(NH4)2SO4] [1]. Ausgehend von einem Kurzpuls-Lasersystem der neuesten Generation erzeugten sie einen 50 Femtosekunden (1 fs = 10-15 Sekunden) langen blauen Lichtblitz, der die chemische Reaktion auslöste. Nur minimal zeitversetzt schickten sie einen synchronisierten 100 fs langen Röntgenblitz hinterher, mit dem sie mit hoher räumlicher Auflösung das Geschehen abbilden konnten [2]. Der Röntgenimpuls wird dabei an einem Pulver aus kleinen Kristallen gebeugt (sog. Debye-Scherrer-Methode [3]). Aus der Vielzahl gleichzeitig gemessener Beugungssignale konnten die Physiker die momentanen atomaren Abstände im Kristall und die dreidimensionale Verteilung der Elektronen innerhalb des Kristalls rekonstruieren. Durch die Aufnahme von Röntgen-Schnappschüssen zu verschiedenen Zeiten nach dem Auslösen der Reaktion entstand mithilfe des Stroboskop-Effekts also ein bewegter Film.

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