Am Puls des Moleküls

"Das Licht sehen - das ist eine Metapher für das Anschauen des Unsichtbaren im Sichtbaren, die Entdeckung der feinen Vorstellungsnetze, die unseren Planeten und alle Existenz zusammenhalten" (Arthur Zajonc, Catching the Light, 1993)

Laser steuert chemische Reaktion

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Über eine Linse wird ein Laserstrahl in eine Flüssigkeit fokussiert und steuert dort eine chemische Reaktion. (Quelle: Inst. für Experimentalphysik I, Uni Würzburg / Philip Morris)

Über Jahrhunderte war die Chemie eine reine Erfahrungswissenschaft. Aus Zigtausenden von Versuchen wusste man, wie bestimmte Stoffe reagieren, wenn man sie mit anderen zusammenbringt. So lernte man, eine Vielzahl neuer Substanzen herzustellen. Bis vor kurzem lag aber immer noch im Dunkeln, was geschieht, wenn sich Atome zu Molekülen zusammentun. Zwar hatte schon Svante Arrhenius, der Chemie-Nobelpreisträger des Jahres 1903, vor mehr als hundert Jahren eine einfache Formel für die Reaktionsgeschwindigkeit als Funktion der Temperatur gefunden. In den dreißiger Jahren formulierten dann Henry Eyring und Michael Polanyi eine Theorie für die Reaktionen einzelner Moleküle. Diese nahm an, dass es einen "Übergangszustand" gebe, einen extrem kurzlebigen Moment ohne Wiederkehr in jeder Reaktion, den die Atome irgendwann überschreiten und sich miteinander verbinden. Dass man jemals Experimente in derartig kurzen Zeitabständen machen könnte, um dieses Ereignis genauer zu untersuchen, davon konnte man damals nicht einmal träumen.

Zerlegtes Licht

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Herzstück der Laserkontrolle chemischer Reaktionen ist der Laser-Pulsformer. Er zerlegt Licht in seine spektralen Bestandteile. (Quelle: Inst. für Experimentalphysik I, Uni Würzburg / Philip Morris)

Seit 1972 entwickelten Forscher jedoch Laser mit ultrakurzen Pulsen, die bald auch in den Femtosekundenbereich vorstießen. Eine Femtosekunde ist unvorstellbar kurz. Sie beträgt 10^-15 Sekunden, also den millionsten Teil einer Milliardstel Sekunde; im Verhältnis zu einer Sekunde ist dies genauso wenig wie eine Sekunde im Verhältnis zu 32 Millionen Jahren. Derartig kurze Pulse eignen sich wie eine Art Stroboskop-Licht zur Zerlegung von schnellen chemischen Vorgängen in einzelne Bilder. Als Arbeitspferd der Femtochemie - wie man dieses Gebiet neuerdings nennt - hat sich der Titan-Saphir-Laser durchgesetzt, der im infraroten oder sichtbar roten Bereich arbeitet. Er sendet Lichtblitze von einigen -zig Femtosekunden Dauer aus und trifft damit ziemlich genau die "Pulsfrequenz" von Molekülen. Denn die Zeit, die sie benötigen, um eine Schwingung auszuführen, beträgt im Durchschnitt zehn bis 100 Femtosekunden.

Wie mit einer Hochgeschwindigkeitskamera gelang es, mit derartigen Lasern Moleküle während des Ablaufs einiger chemischer Reaktionen abzubilden und ein Bild von ihnen genau dann einzufangen, wenn sie sich im Übergangszustand befanden. So konnten die Forscher nachweisen, dass es Zwischenprodukte gibt, sogenannte Intermediäre, die sich auf dem Weg zwischen den ursprünglichen Stoffen und den Endprodukten bilden. Diese Resultate halfen auch, zu verstehen, warum bestimmte chemische Reaktionen stattfinden, andere aber nicht - eine Erkenntnis von großer praktischer Bedeutung.

Vakuum-Kammer

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In den Vakuum-Kammern dieser Apparatur werden mittels eingekoppelter Laserpulse chemische Reaktionen in einem Gas ausgelöst. (Quelle: Inst. für Experimentalphysik I, Uni Würzburg / Philip Morris)

Denn genau sie ist der Schlüssel zu einer Vielzahl nützlicher Anwendungen. Die Kunst der Chemie ist es ja gerade, aus einer Unmenge möglicher Reaktionspfade genau denjenigen anzusprechen, der zum gewünschten Produkt führt. Wenn es nun in großem Maßstab gelänge, mit genau passenden Laserpulsen Atomen so exakt Energie mitzugeben, dass sie bestimmte chemische Reaktionen ausführen, könnte dies zu einer Revolution in der Chemie führen. So sind der Fantasie in diesem Bereich kaum Grenzen gesetzt. Experten erwarten, dass sich in der Verbrennungsforschung, in der Umwelttechnik und in der medizinischen Diagnostik umwälzende Neuerungen ergeben. Auch die Synthese neuartiger Materialien, die Veredelung von Oberflächen oder die Konstruktion molekularer Maschinen ist in greifbare Nähe gerückt. So könnte es sein, dass mit dem Femtosekundenlaser die Physik einmal mehr ihrer Schwesterwissenschaft Chemie auf die Sprünge hilft.