Rasend schnell: Bewegungen von Elektronen in Molekülen verfolgen

Künftig kann man Molekülen wie im Film bei ihren chemischen Reaktionen zuschauen: Die Kombination von zwei neuartigen Verfahren erlaubt erstmals, die blitzschnellen Bewegungen von Elektronen in Molekülen zu erfassen.
Das neue Verfahren kann diese Bewegungen nicht nur zeitlich, sondern auch räumlich erfassen. Das berichtet ein Forschungsteam aus Marburg, Jülich und Graz in der Onlineausgabe des Wissenschaftsmagazins „Science“.
Sie schauen aus wie Luftballons oder Seifenblasen, die Atomkerne in oder zwischen sich einschließen: Unter einem Orbital versteht man in der Chemie den Raum, in dem ein Elektron sich in einem Atom oder Molekül wahrscheinlich aufhält. Da die Bewegung von Elektronen nichts anderes ist als eine Form ihrer Energie, stellen Orbitale auch den energetischen Zustand der Elektronen dar.
„Bisher konnte man nicht im Bild festhalten, wie sich Elektronen in Molekülen bewegen“, erklärte der Physiker Dr. Robert Wallauer von der Philipps-Universität. Er ist einer der Leitautoren der aktuellen Veröffentlichung.
Elektronen stiften die Verknüpfung von Atomen zu Molekülen. Daher verfolgt man in der Chemie seit Jahrzehnten zwei weitreichende Ziele, wie Wallauers Chef Prof. Dr. Ulrich Höfer erläuterte: „Erstens versucht man chemische Reaktionen daraus zu erklären, wie die Elektronen in Molekülen räumlich verteilt sind; zweitens möchte man über die Zeit verfolgen, wie sich Elektronen bei chemischen Reaktionen bewegen.“
Um diesen Zielen näher zu kommen, arbeiten Teams aus der Physik schon seit einigen Jahren in einem Sonderforschungsbereich der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) zusammen, in dem Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen untersucht werden. Der Durchbruch gelang den beteiligten Arbeitsgruppen vom Forschungszentrum Jülich, der Universität Graz und der Philipps-Universität, indem sie zwei neuartige Techniken kombinierten.
Der experimentelle Ansatz basiert auf dem Verfahren der „Photoemissions-Orbital-Tomografie“, das erst wenige Jahre alt ist. „Dabei wird eine Molekülschicht mit Photonen beschossen, also mit Lichtteilchen, woraufhin sich die energetisch angeregten Elektronen herauslösen“, erläuterte Koautor Prof. Dr. Peter Puschnig von der Karl-Franzens-Universität Graz. Er ist einer der Erfinder dieses Verfahrens. „Die Lichtteilchen fliegen danach nicht zufällig in den Raum hinaus, sondern lassen mit Hilfe einer gängigen mathematischen Methode auf die tatsächliche räumliche Verteilung der Elektronen schließen““
Das Team verband diese Technik mit „Pump-Probe“-Laser-Experimenten, in denen Elektronen durch extrem kurze Laserimpulse auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. „Die entscheidende Errungenschaft unserer Arbeit besteht darin, dass wir die Orbitaltaufnahmen, die Tomogramme, mit nie gekannter Auflösung im Femtosekunden-Maßstab durch die Zeit verfolgen“, erklärte Höfer.
Die Forschungsgruppe erprobte das kombinierte Verfahren an dem organischen Molekül „PTCDA“, das sie auf eine Kupferunterlage auftrug, von der es nur eine hauchdünne Oxidschicht trennt. Bestrahlt man eine derartige Probe mit Laserlicht, so bewegen sich Elektronen von einem Orbital in ein anderes. „In Verbindung mit dem Tomografie-Verfahren ermöglicht uns das, den Weg angeregter Elektronen im echten, räumlichen Sinne des Wortes zu verfolgen“, hob Prof. Dr. Stefan Tautz vom Jülicher Team hervor.
Die Tomografien der Orbitale decken auf, dass sich die angeregten Elektronen unterschiedlich verhalten, je nachdem, ob die PTCDA-Moleküle auf der Kupferoberfläche längs oder quer ausgerichtet sind: Entweder bewegt sich ein Elektron aus dem Metall durch die hauchdünne Oxidschicht ins Molekül oder nur innerhalb des Moleküls.
„Unser Experiment bietet die Möglichkeit, rasend schnelle Elektronenbewegungen in Zeit und Raum zu beobachten“, fasste Höfer zusammen. „Wir glauben, dass diese Ergebnisse, die den neuesten Stand der Technik in der Laser- und Elektronenspektroskopie voraussetzen, einen Durchbruch auf diesem Gebiet darstellen.“ Künftig werde man mittels dieses Verfahrens verfolgen können, wie sich Orbitale verändern, während sich chemische Bindungen bilden oder lösen.
Höfer leitet die Arbeitsgruppe „Oberflächendynamik“ an der Philipps-Universität. Er steht dem Marburger Sonderforschungsbereich 1083 „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFB) als Sprecher vor, der seit dem Jahr 2013 besteht und 18 Teilprojekte umfasst. Die Arbeitsgruppe aus Jülich gehört dem Verbund seit dem Jahr 2017 an.
Unter inneren Grenzflächen sind die Kontaktzonen zwischen zwei Materialschichten zu verstehen. Die Erkenntnisse des Verbunds sollen Grundlagen für neue Bauelemente bilden, deren Eigenschaften entscheidend von Grenzflächeneffekten abhängen etwa in der Mikroelektronik, der Solarenergietechnik und in der Sensorik. Der SFB bietet in einem Film auf dem Youtube-Kanal der Philipps-Universität einen Einblick in die Welt der Grenzflächen auf atomarer Skala .

* pm: Philipps-Universität Marburg

Kommentare sind abgeschaltet.