Knowhow aus dem Elektronensprung eines explodierenden Moleküls

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Um herauszufinden, wann ein Molekül ein Molekül ist, teilten Forscher eines mit dem weltweit stärksten Röntgenlaser und sahen Erstaunliches. Die Erkenntnisse werden auch der Solartechnik nutzen.

Die Kunst der Elektronensprünge. Um herauszufinden, bis zu welcher Entfernung ein Ladungstransfer zwischen den beiden Bruchstücken eines Moleküls stattfindet, haben Forscher mit ultrakurzen Röntgenblitzen Elektronensprünge in explodierenden Molekülen beobachtet. Die Erkenntnis ist wichtig, um die Prozesse bei der Photosynthese zu verstehen aber auch um zu entscheiden, wann ein Molekül ein Molekül ist. Mit der verwendeten Technik lässt sich die Dynamik des Ladungstransfers bei einer großen Bandbreite von molekularen Systemen untersuchen.

„Der Ladungstransfer findet noch bis rund zur zehnfachen normalen Bindungslänge statt“, berichtet Dr. Benjamin Erk, der bei DESY am Freie-Elektronen-Laser FLASH und am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) forscht, einer Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft. Prof. Artem Rudenko von der Kansas State University, der ebenfalls am Experiment beteiligt ist, erklärt die Motivation hinter der Untersuchung. „Eine zentrale Frage lautet: Wann ist ein Molekül ein Molekül“, so Rudenko. „In diesem Fall also, bis zu welcher Entfernung teilen sich die Molekülbestandteile die Elektronen, ab welcher Distanz bricht der Ladungstransfer zwischen den beiden Molekülbruchstücken zusammen. Die von uns gemessene kritische Entfernung markiert den Übergang vom Molekül- zum atomaren Regime.“

Weltweit stärkster Röntgenlaser spaltet Molekül

Für ihre Untersuchung beschossen die Wissenschaftler Moleküle aus Iod und einer Methylgruppe (CH3), sogenanntes Iodomethan (CH3I), mit einem Infrarotlaser und zerbrachen so die Bindung der beiden Partner. Mit Hilfe ultrakurzer Röntgenblitze, die Elektronen aus den inneren Schalen der Iod-Atome hinausschlugen, konnten sie anschließend beobachteten, wie sich die gemeinsamen Elektronen des zerbrechenden Moleküls zwischen den beiden Bruchstücken verteilten. Dazu nutzten die Forscher den zurzeit weltweit stärksten Röntgenlaser LCLS am US-Forschungszentrum SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien.

„Wir haben den Röntgenblitz bei jedem Schritt etwas später dem Infrarot-Laserpuls hinterhergeschickt“, erläutert Erk. Diese Verzögerung betrug zwischen wenigen Femtosekunden und einer Pikosekunde, also bis zu einer billionstel Sekunde. Je später der Röntgenblitz kommt, desto weiter haben sich die beiden Molekülbestandteile bereits voneinander entfernt. Auf diese Weise gewannen die Wissenschaftler eine Serie von Aufnahmen, auf der sich die Wanderung der Elektronen bei immer größerem Abstand der Molekültrümmer beobachten lässt.

Erkenntnisse für die Solarenergie

"Je weiter sich die Bruchstücke entfernen, desto stärker nimmt der Ladungstransfer ab", berichtet Erk. "Wir konnten bis zu einer Entfernung von rund 20 Ångström eine Elektronenwanderung zwischen den beiden Bruchstücken nachweisen." Die Bindungslänge von Iodomethan beträgt dagegen nur etwas mehr als 2 Ångström, das sind 0,2 Nanometer (millionstel Millimeter). Die Ergebnisse sind für eine Reihe von Systemen von Bedeutung. So hat man etwa in der Astrophysik Röntgenstrahlung beobachtet, die von solchen Ladungstransferprozessen erzeugt wird. Derartige Prozesse spielen bei zahlreichen chemischen Vorgängen eine Rolle, etwa bei der Photosynthese oder in Solarzellen.

Diese ersten Ergebnisse schlagen zudem eine Brücke zwischen der Untersuchung des Ladungstransfers zwischen einzelnen Atomen und der Analyse des elektrischen Ladungsflusses in größeren Systemen wie sie in der Biologie und der Chemie häufig vorkommen. Weitere Messungen sollen helfen, den Prozess des Ladungstransfers im Detail zu verstehen.