Elektronen bestimmen Bruchstellen von Molekülen

Das Kohlenwasserstoffmolekül Ethen (C2H4) reguliert das Wachstum von Pflanzen und kann das Reifen von Früchten beschleunigen. Als reaktionsfreudiges Molekül spielt es auch eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Kunststoffen und Reinigungsmitteln. Forscher um Xinhua Xie von der TU Wien haben nun anhand von ultrakurzen Laserpulsen genauer untersucht, wie sich das Aufbrechen dieser Moleküle gezielt steuern lässt. Dabei fanden sie heraus, wie die Bewegungen der Elektronen und Kerne in den Molekülen einander bedingen. Von den Ergebnissen berichten sie in der aktuellen Ausgabe des Fachblattes „Physical Review X“.

Oben links ein intaktes Ethenmolekül, bestehend aus zwei miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen, an denen jeweils zwei Wasserstoffatome hängen. Die Kohlenstoffatome sind durch zwei große Kugeln dargestellt, die Wasserstoffatome durch vier kleine Kugeln, ihre Verbindungen untereinander durch Balken. Das Laserpuls löst je ein Elektron nach oben rechts und unten rechts aus den Molekülorbitalen heraus, die sich um die beiden Kohlenstoffkugeln und senkrecht dazu um die beiden Wasserstoffkugeln befinden.
Oben rechts ein Ethenmolekül, das genau in der Mitte zwischen den Kohlenstoffkugeln aufgebrochen wurde. Die beiden Ionenfragmente driften nach links und rechts auseinander. Unten links wieder ein intaktes Ethenmolekül. Eines der beiden Elektronen wird aus einem Wasserstofforbital oben links am Molekül gelöst, das andere unten rechts aus der länglichen Elektronenwolke um die Kohlenstoffatome. Unten rechts dann ein Ethenmolekül, das nicht in seiner Mitte, sondern oben links aufgebrochen wurde. Ein einzelnes Wasserstoffatom driftet als Ionenfragment nach oben links, das übrige Molekülion, bestehend aus zwei großen und drei kleinen Kugeln, nach unten rechts.
Bruchstellen beim Ethenmolekül

Ein energiereicher Laserpuls kann Elektronen in einem Molekül auf ein höheres Energieniveau anregen oder ganz aus dem Molekül herauslösen. Halten sich die Elektronen weiter entfernt von ihrem Atomkern auf, so werden sie vom Laserlicht mit einer höheren Wahrscheinlichkeit aus dem Molekül gestoßen als innenliegende Elektronen. Bei dieser sogenannten Photoionisation wird die molekulare Bindung geschwächt oder sogar aufgebrochen. An welcher Stelle dies geschieht, hängt davon ab, welches Elektron aus dem Molekül entfernt wurde, denn die veränderte Elektronenverteilung wirkt sich auf die anziehenden Kräfte aus, die das Molekül zusammenhalten.

Xie und seine Kollegen haben am Beispiel von Ethen untersucht, inwieweit sich das Aufbrechen der Moleküle durch Dauer und Intensität eines Laserpulsen kontrollieren lässt. In ihrem Experiment richteten sie ultrakurze Laserpulse auf einen Strahl aus gekühlten Ethenmolekülen in einer Vakuumkammer. Das Laserlicht hatte eine solche Intensität, dass es jeweils gleich zwei Elektronen auf einen Schlag aus dem Molekül entfernte. Daraufhin brach das verbleibende, zweifach ionisierte Molekül auseinander, und die Forscher konnten die beiden Ionenfragmente mit einer hierfür geeigneten Spektroskopiemethode detektieren. Je höher sie dabei die Laserintensität einstellten, desto häufiger zerbrachen die Moleküle entlang der Bindung zwischen ihren beiden Kohlenstoffatomen. Darüber hinaus erwies sich das Ethenmolekül als umso fragiler, je kürzer die eingesetzten Laserpulse waren.

Die Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen Elektronen eines Moleküls vorherbestimmen, an welchen Stellen es bei Bestrahlung mit intensivem Laserlicht auseinanderbricht. Das vorgestellte Experiment trägt nicht nur zu einem besseren Verständnis der Wechselbeziehungen zwischen Elektronen und Atomkernen innerhalb von Molekülen bei, sondern es liefert auch einen Ansatz, um chemische Abläufe in Molekülen gezielt durch Anregung ausgewählter Elektronen zu steuern.