(jtu) Marburger Wissenschaftler haben einen ungewöhnlichen Weg gefunden, um chemische Bindungen kontrolliert aufzubrechen: Die Physikochemiker um Professor Karl-Michael Weitzel verwenden aufeinander folgende Laserpulse, um die Elektronen zwischen zwei Atomkernen auf eine Seite zu verschieben, so dass die Bindung zerfällt. Durch den zeitlichen Abstand der beiden Laserpulse ist präzise determiniert, welche Reaktionsprodukte bei dem Experiment überwiegend entstehen.
Wie man bereits in der Schule lernt, hat chemische Bindung etwas damit zu tun, dass sich Elektronen zwischen zwei oder mehreren atomaren Kernen aufhalten - von diesen sozusagen gemeinsam genutzt werden. "Wenn Elektronen das Bestehen einer chemischen Bindung konstituieren, dann bedeutet die Abwesenheit von Elektronen zwischen zwei Kernen den Bruch dieser Bindung", erklärt Weitzel den Grundgedanken des Experiments. Doch selbst wenn Elektronen für einen kurzen Moment aus dem Bereich zwischen zwei Kernen herausgelenkt werden, kommen sie normalerweise so schnell wieder zurück, dass die Kerne nur eine gemittelte Bewegung der Elektronen erkennen.
Der Schlüssel zur Kontrolle chemischer Prozesse mittels Kontrolle der Elektronen liegt also darin, diese nicht nur kurzzeitig aus einer chemischen Bindung herauszunehmen, sondern sie auch noch am Zurückkommen zu hindern. Kein Wunder, dass dazu ein extrem schnelles Experiment erforderlich ist. Wie sich herausstellte, genügen unvorstellbar kleine Zeitunterschiede von 1.35 Femtosekunden, um vorwiegend die eine oder die andere chemische Bindung in einem Molekül zu brechen. Die Wissenschaftler haben ihren Versuch mit der Verbindung ortho-Xylol durchgeführt (chemische Formel: C8H10). Die Moleküle dieses Gases wurden mit zwei sehr kurzen Laserpulsen optisch angeregt, die jeweils nur 40 Femtosekunden dauerten. Diese beiden Lichtpulse erfolgten in so kurzem zeitlichem Abstand, dass sie überlappten, wodurch es zu Interferenzen kam; darunter versteht man das gegenseitige Aufschaukeln oder die Auslöschung der einander überlagernden Schwingungen.
Je nach gewählter Verzögerung zerfielen die ortho-Xylol-Moleküle in unterschiedliche Bruchstücke: Bei einem Abstand von 70 Femtosekunden erreichte die Bildung von CH3+-Ionen ein Maximum und die Bildung von C+ ein Minimum. Sobald sich der Abstand um nur 1.35 Femtosekunden vergrößerte, war es genau umgekehrt. Über die Variation der Verzögerung in diesen unglaublich kleinen Abständen ist also die Kontrolle der Ausbeute konkurrierender chemischer Prozesse möglich.
Die Wissenschaftler erklären ihre Ergebnisse dadurch, dass die Elektronen durch die Interferenzen der ultrakurzen Lichtpulse in synchrone Schwingungen versetzt werden. Dadurch befinden sie sich je nach Verzögerungszeit außerhalb der Reichweite eines der beteiligten Kerne, wodurch eine bestimmte chemische Bindung gebrochen wird - nämlich jeweils dort, wo die Elektronen gerade nicht sind.
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