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Tieftemperaturionenspeicher mit Infrarotspektrum (von CD4H+).
[Bildquelle: RUB]
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Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht [siehe unten].
Lieblingsplatz im Molekül In den meisten Molekülen haben alle Atome ihre festen Plätze, doch in protoniertem Methan befinden sich fünf Wasserstoffatome in ständiger Bewegung um einen Kohlenstoffkern. Diese Bewegung ist nicht vollkommen zufällig, sondern die Wasserstoffatome sortieren sich bevorzugt in eine Zweiergruppe (H2) und ein Dreibein (CH3). Weitaus weniger bekannt war über die Bewegungen in ähnlichen Molekülen (Isotopologen), in denen ein oder mehrere Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt sind, das auch in schwerem Wasser vorkommt. Gemeinsam mit ihren Kooperationspartnern erforschten die RUB-Chemiker die Lieblingsplätze von Deuterium und Wasserstoff im Molekül.
Atomtausch Um den Lieblingsplätzen auf die Spur zu kommen, tauschten die Wissenschaftler schrittweise die Wasserstoffatome gegen Deuterium aus und zeichneten für jedes Isotopolog ein Infrarotspektrum auf, das Auskunft über die Bewegungen im Molekül gibt. Hierzu wurden die Moleküle in einem Ionenspeicher festgehalten, auf tiefe Temperaturen gekühlt und mit dem Infrarotlaser des FOM-Instituts für Plasmaphysik beleuchtet. Die so gewonnenen Spektren unterschieden sich erheblich für die verschiedenen Isotopologe. Erst durch spezielle Computersimulationen der Bochumer Chemiker war es möglich, diese Daten zu interpretieren. Eine einfache Simulation nach den Gesetzen der klassischen Mechanik reichte hierfür nicht aus, sondern die Quantennatur der Kerne musste mit berücksichtigt werden. So konnten die Forscher zeigen, dass das Deuterium sich bevorzugt im Dreibein und der Wasserstoff bevorzugt in der Zweiergruppe des Moleküls aufhält.
Neue Geheimnisse Die Ergebnisse der Bochumer Chemiker und ihrer Kooperationspartner sind nicht auf protoniertes Methan und seine Isotopologe beschränkt. Da es eine ganze Klasse von Molekülen gibt, in denen Atome ihre Plätze tauschen, werden die neuen Daten helfen, auch ihren Geheimnissen auf die Spur zu kommen.
Pressemitteilung der Universität Köln: Die Entzifferung eines geheimnisvollen MolekülsWissenschaftler veröffentlichen in Nature Chemistry In den meisten Molekülen sitzen die Atome an festen Plätzen. Ganz anders im protonierten Methan, CH5+, in dem die Wasserstoffatome sogar ihre Plätze wechseln. Dem interdisziplinären Team von Experimentalphysikern der Universität zu Köln um Prof. Dr. Stephan Schlemmer, vom FOM Institut für Plasmaphysik in Rijnhuizen (NL) und theoretischen Chemikern der Ruhr-Universität Bochum um Prof. Dr. Domink Marx ist es nun gelungen, der Bewegung der Wasserstoffatome auf die Spur zu kommen. Insbesondere interessierte die Frage, was mit der Bewegungsfreiheit dieses Chamaeleons geschieht, wenn man nach und nach die Wasserstoffatome durch schwerere Deuteriumatome ersetzt. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden gestern in der renommierten britischen Fachzeitschrift "Nature Chemistry" veröffentlicht.
Lieblingsplätze im Molekül Trotz der rasend schnellen Bewegung der Wasserstoffatome im protonierten Methan (CH5+) sortieren sich die Wasserstoffatome bevorzugt in einer Zweiergruppe (H2) und einem Dreibein (CH3). Es tat sich eine "einfache" Frage auf: Gibt es wegen dieser Sortierung und trotz der Bewegung Lieblingsplätze für die Wasserstoffatome, wenn man einige Wasserstoffatome (H) durch ihre schweren Brüder Deuterium (D) ersetzt?
Die Kölner Experimente Um diese Frage zu beantworten, haben die Forscher die H-Atome im CH5+ Molekül schrittweise durch D-Atome ersetzt und von den so entstandenen Molekülen Infrarotspektren aufgenommen. Dazu wurden die Moleküle in einem Ionenspeicher festgehalten, auf tiefe Temperaturen heruntergekühlt, und dann mit dem Infrarotlaser FOM-Instituts für Plasmaphysik beleuchtet. Die Kölner Spektren zeigen dramatische Unterschiede für die verschiedenen Moleküle. Mit den ausgefeilten Simulationen der Bochumer Chemiker konnten die Spektren richtig gedeutet werden, wenn der Quantennatur der Bewegung der H und D-Atome Rechnung getragen wurde. Bei dem Vergleich mit den experimentellen Spektren bestätigte sich schließlich, was die Forscher schon seit langem vermutet hatten: Die H und D Atome setzen sich tatsächlich bevorzugt an ihre Lieblingsplätze.
Neue Fragen Das neue Wissen um das Verhalten der Wasserstoffatome ist für die Kölner Wissenschaftler und ihre Kollegen von generellem Interesse, da CH5+ als Prototyp für eine ganze Klasse von Molekülen gilt, bei denen die Atome ihre Plätze tauschen. Mit der Frage, ob die schnellen Bewegungen der Atome mit der Anlagerung weiterer Aggregate abnimmt, wollen sich die Forscher in Zukunft beschäftigen.
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