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Ultraschnelle Dissoziation von Molekülen an BESSY II analysiert Molekularer Katapulteffekt lässt Bindungen brechen

Quelle: Pressemitteilung Helmholtz-Zentrum Berlin 2 min Lesedauer

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Der Zerfall von Molekülen im Röntgenlicht ist ein ultraschneller Prozess von oft wenigen Femtosekunden. Ein internationales Forscherteam hat nun aufgedeckt, wie Bindungen in schweren Molekülen brechen. Dies wirft neues Licht auf die Natur chemischer Reaktionen.

Ein Forscherteam hat untersucht, wie Röntgenphotonen einen „molekularen Katapulteffekt“ auslösen: Leichte Atomgruppen werden zuerst herausgeschleudert, ähnlich wie Geschosse aus einem Katapult. Schwereren Atome wie Brom und Chlor trennen sich hingegen deutlich langsamer. Das Bild wurde auf dem Cover von „The Journal of Physical Chemistry Letters“ abgedruckt.(Bild: The Journal of Physical Chemistry Letters)
Ein Forscherteam hat untersucht, wie Röntgenphotonen einen „molekularen Katapulteffekt“ auslösen: Leichte Atomgruppen werden zuerst herausgeschleudert, ähnlich wie Geschosse aus einem Katapult. Schwereren Atome wie Brom und Chlor trennen sich hingegen deutlich langsamer.
Das Bild wurde auf dem Cover von „The Journal of Physical Chemistry Letters“ abgedruckt.
(Bild: The Journal of Physical Chemistry Letters)

Treffen Röntgenstrahlen auf Moleküle, können sie Elektronen aus bestimmten Orbitalen in extrem energiereiche Zustände versetzen und so chemische Bindungen aufbrechen. Dies geschieht oft extrem schnell, in nur wenigen Femtosekunden (10-15 s). Dieses Phänomen wurde bereits bei leichten Molekülen wie Ammoniak, Sauerstoff, Salzsäure oder einfachen Kohlenstoffverbindungen untersucht, aber bisher noch kaum bei Molekülen mit schwereren Atomen.

Ein Team aus Frankreich und Deutschland hat nun den schnellen Zerfall von Molekülen untersucht, die Halogene enthalten. Sie konzentrierten sich auf ein Molekül, in dem Brom- und Chloratome durch eine leichte eine Alkylengruppe (CH2) verbunden sind. Die Messungen fanden an der XUV-Beamline von BESSY II statt, einer Synchrotron-Strahlungsquelle am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB).

Schwere Moleküle beim Zerfall beobachten

Durch die Absorption des Röntgenlichts brachen Molekülbindungen auf und ionische Fragmente entstanden. Es gelang den Forschenden, den Prozess mithilfe der Messdaten zu visualisieren. Sie zeigten, wie sich Atome in den flüchtigen Zwischenzuständen bewegen, kurz bevor die Bindungen wirklich aufbrechen. Dafür entwickelte das Team eine neue Analysemethode namens IPA (Ion Pair Average) und kombinierte sie mit theoretischen Ab-initio-Berechnungen, um die Prozesse zu rekonstruieren.

Wie die Analysen offenbarten, werden zuerst leichte Atomgruppen wie CH2 ausgestoßen, während die schwereren Atome – Brom und Chlor – zurückbleiben und sich folglich langsamer trennen. Interessanterweise tritt dieses katapultartige Verhalten nur bei bestimmten Röntgenenergien auf. Theoretische Simulationen, die mit experimentellen Beobachtungen übereinstimmen, unterstreichen die entscheidende Rolle von Schwingungen der leichteren Atomgruppen bei der Auslösung dieser ultraschnellen Reaktionen.

Dynamik der molekularen Dissoziation

„Diese Studie beleuchtet die einzigartige Dynamik der molekularen Dissoziation unter Röntgenbestrahlung“, sagt Dr. Oksana Travnikova (CNRS, Université Sorbonne, Frankreich), Erstautorin der Studie. Insbesondere legt die neue Studie dar, dass die katapultartige Bewegung leichter Gruppen die Trennung schwerer Fragmente einleitet, ein Prozess, der sich in bemerkenswert kurzen Zeiträumen entfaltet. Diese Erkenntnisse vertiefen das Verständnis von chemischen Reaktionen auf molekularer Ebene und zeigen, wie sich energiereiche Strahlung auf komplexe Moleküle auswirkt.

Originalpubliaktion: Oksana Travnikova, Victor Kimberg, Barbara Cunha de Miranda, Florian Trinter, Markus S. Schöffler, Stéphane Carniato, Tatiana Marchenko, Renaud Guillemin, Iyas Ismail, Gregor Kastirke, Maria Novella Piancastelli, Till Jahnke, Reinhard Dörner & Marc Simon: X-ray-Induced Molecular Catapult: Ultrafast Dynamics Driven by Lightweight Linkages, J. Phys. Chem. Lett. (2024), Vol 15/Issue 47, DOI: 10.1021/acs.jpclett.4c02511

(ID:50259352)

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