Quantenzittern macht Ameisensäure chiral Warum flache Moleküle nur eine Illusion sind

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Manche Moleküle wie Ameisensäure sind flach, weil alle Atome exakt in einer Ebene liegen. Nun ja, fast. Denn mit hochempfindlichen Messmethoden haben Forscher nun nachgewiesen, dass selbst die vermeintlich platte Ameisensäure durch quantenmechanische Nullpunktsschwingungen dreidimensional wird, und damit seine Symmetrie verliert.

In traditionellen Chemiebüchern herrscht noch Ordnung: Atome in Molekülen sitzen an festen Plätzen, verbunden durch starre Stäbchen. Ein kleines Molekül wie die Ameisen- oder Methansäure (HCOOH) stellen wir uns zweidimensional vor – flach wie ein Blatt Papier. Doch die Quantenphysik zeichnet ein anderes Bild, denn in Wahrheit verweigert sich die Natur der Starrheit und zwingt selbst einfachste Strukturen in die dritte Dimension.

Forschende unter der Leitung von Prof. Reinhard Dörner vom Institut für Kernphysik der Goethe-Universität Frankfurt haben jetzt die tatsächliche räumliche Struktur der scheinbar flachen Ameisensäure mithilfe eines Röntgenstrahls der Röntgenstrahlungsquelle PETRA III am Beschleunigerzentrum DESY in Hamburg bestimmt. Die Studie entstand in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten Kassel, Marburg und Nevada, des Fritz-Haber-Instituts sowie des Max-Planck-Instituts für Kernphysik.

Extrem kurzlebige Prozesse analysiert

Für ihre Experimente nutzten die Wissenschaftler nutzten zwei Effekte, die auftreten, wenn Röntgenstrahlung auf ein Molekül trifft: Zunächst löst die Röntgenstrahlung mehrere Elektronen aus dem Molekül heraus, die wegfliegen (photoelektrischer Effekt und Auger-Effekt). Dadurch laden sich die Atome so stark auf, dass das Molekül in einer Art Explosion zerplatzt (Coulomb-Explosion). Den Forschenden gelang es, diese Prozesse, die sich innerhalb von Femtosekunden abspielen, nacheinander zu messen.

Dazu nutzten sie eine Apparatur, die an der Goethe-Universität erfunden und seither immer weiterentwickelt wurde: das Coltrims-Reaktionsmikroskop. Auf Basis der Messdaten errechneten sie anschließend die ursprüngliche Geometrie des Ameisensäuremoleküls. Das Ergebnis: Die beiden Wasserstoffatome der Ameisensäure schwingen minimal hin und her, sodass das Molekül nicht flach ist, wie bislang angenommen.

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Die Illusion flacher Moleküle

Studienleiter Dörner erklärt: „In der Quantenwelt sind Atomkerne keine winzigen Kugeln, die an ihrem Platz verharren. Sie sind eher wie vibrierende Wolken. Selbst wenn wir ein Molekül bis zum absoluten Nullpunkt abkühlen, hört dieses Zittern – die so genannte Nullpunktsschwingung – niemals auf.“

Die Konsequenz: Ein Atomkern hat keinen exakten Ort, sondern nur eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Er ist gewissermaßen „überall ein bisschen“. Dadurch ist ein Ameisensäure-Molekül in fast jedem Moment faktisch dreidimensional.

„Durch diesen winzigen Schritt in die dritte Dimension verliert das Molekül seine Symmetrie, und es lässt sich nicht mehr mit seinem Spiegelbild in Deckung bringen, ähnlich wie das mit unserer linken und rechten Hand ist“, erklärt Dörner. „Die Ameisensäure ist chiral – sie besitzt in der Hälfte der Zeit eine linkshändige und in der anderen Hälfte eine rechtshändige Form.“

Chiralität durch Quantenzittern

In der Chemie können zwei solche chiralen Formen – Enantiomere – völlig unterschiedliche Wirkungen haben: Während die eine Form eines Moleküls als Heilmittel wirkt, kann ihr Spiegelbild wirkungslos sein. Normalerweise entsteht diese so genannte Händigkeit durch den festen Aufbau eines Moleküls. Die neuen Forschungsergebnisse stellen das Bild aber in Teilen in Frage.

Wie die Wissenschaftler am Beispiel der Ameisensäure gezeigt haben, kann allein das Quantenzittern aus einem symmetrischen Molekül zwei unterschiedliche spiegelbildliche Realitäten erzeugen. Das bedeutet, so wie Dörner erklärt: „Die Händigkeit, eine wichtige Eigenschaft des Lebens, entsteht hier nicht durch den statischen Bauplan des Moleküls, sondern allein durch das unaufhörliche Zittern in der Quantenwelt. Generell konnten wir anhand der Ameisensäure sehen: Geometrie ist keine statische Eigenschaft, sondern ein dynamisches Ereignis, und ein flaches Molekül ist in Wirklichkeit nur der Durchschnittswert eines Zitterns seiner Atome in alle Richtungen.“

Originalpublikation: Publikation: D. Tsitsonis, M. Kircher, N. M. Novikovskiy, F. Trinter, J. B. Williams, K. Fehre, L. Kaiser, S. Eckart, O. Kreuz, A. Senftleben, Ph. V. Demekhin, R. Berger, T. Jahnke, M. S. Schöffler, R. Dörner: Probing Instantaneous Single-Molecule Chirality in the Planar Ground State of Formic Acid, Phys. Rev. Lett. 136, 043001 – Published 30 January, 2026; DOI: 10.1103/bvqj-pm3n

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