Vakuumkammer zur Beobachtung chemischer Reaktionen

Femtosekundenlaser: Am Puls des Moleküls

Der Femtosekundenlaser erlaubt es den Forschern, chemische Reaktionen wie in Zeitlupe zu verfolgen. Mit Hilfe der ultrakurzen Lichtpulse kann man beobachten, wie sich die Atome im Molekül verhalten, wenn chemische Verbindungen zerbrechen und neue entstehen.

Foto: rechts Linse, links schmaler mit einer klaren Flüssigkeit gefüllter Behälter, in dem Behälter ein heller Strahl, der sich von rechts nach links etwas auffächert.
Laser steuert chemische Reaktion

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.

Foto: Experiment, von in Spektralfarben zerlegtem Licht beleuchtete Metallringe und Linsen
Laser-Pulsformer

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.

Foto: komplexe Apparatur aus vielen Rohren und Flanschen, im Vordergrund zwei sich kreuzende Rohre mit einer Öffnung, darin ein rot-gelb leuchtender Lichtball.
Vakuum-Kammer

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.