Elektronenbewegungen in Flüssigkeit mit Superzeitlupe gemessen

Um zu verstehen, wie chemische Reaktionen beginnen, untersuchen Chemiker seit Jahren mit Superzeitlupenexperimenten die allerersten Momente einer Reaktion. Mittlerweile sind Messungen mit einer Aufl?sung von wenigen Dutzend Attosekunden m?glich. Eine Attosekunde ist der 10¹⁸-te Teil einer Sekunde, also ein Millionstel eines Millionstel einer Millionstelsekunde.

?In diesen ersten paar Dutzend Attosekunden einer Reaktion kann man bereits beobachten, wie sich Elektronen innerhalb von Molek¨¹len verschieben?, erkl?rt Hans Jakob W?rner, Professor am Laboratorium f¨¹r physikalische Chemie der ETH Z¨¹rich. ?Sp?ter, im Verlauf von rund 10¡¯000 Attosekunden oder 10 Femtosekunden kommt es dann bei chemischen Reaktionen zu Bewegungen der Atome bis hin zum Bruch von chemischen Bindungen.?

Der ETH-Professor geh?rte vor f¨¹nf Jahren zu den ersten Wissenschaftlern, die in Molek¨¹len Elektronenbewegungen auf der Attosekunden-Skala nachweisen konnten. Allerdings konnten solche Messungen bisher nur bei Molek¨¹len in Gasform durchgef¨¹hrt werden, weil sie in einer Hochvakuum-Kammer stattfinden.

Transport aus der Fl¨¹ssigkeit verz?gert

Mit dem Bau einer neuen Messapparatur ist es W?rner und seinen Mitarbeitenden nun gelungen, solche Bewegungen in Fl¨¹ssigkeit nachzuweisen. Die Forschenden nutzten dazu die Photoemission von Wasser, bei der sie mit Licht Wassermolek¨¹le bestrahlen, wodurch Elektronen aus ihnen herausgeschleudert werden. Diese Elektronen k?nnen die Wissenschaftler messen. ?Wir haben f¨¹r unsere Untersuchung diesen Vorgang gew?hlt, weil es mit Laserpulsen m?glich ist, ihn zeitlich h?chst pr?zise zu starten?, erkl?rt W?rner.

Auch die neuen Messungen fanden im Hochvakuum statt. W?rner und sein Team nutzten daf¨¹r einen 25 Mikrometer d¨¹nnen Fl¨¹ssigkeitsstrahl, den sie in die Messkammer einspritzten. Die Wissenschaftler konnten damit messen, dass Elektronen aus Wassermolek¨¹len in Fl¨¹ssigkeit 50-70 Attosekunden sp?ter herausbef?rdert werden als aus Wassermolek¨¹len in Dampfform. Der Zeitunterschied ist darauf zur¨¹ckzuf¨¹hren, dass die Molek¨¹le in Fl¨¹ssigkeit von anderen Wassermolek¨¹len umgeben sind, was auf das einzelne Molek¨¹l einen messbaren Verz?gerungseffekt hat.

Wichtiger Schritt

?Elektronenbewegungen sind die Schl¨¹sselereignisse in chemischen Reaktionen. Daher ist es so wichtig, sie auf einer hochaufgel?sten Zeitskala zu messen?, sagt W?rner. ?Der Schritt von Messungen in Gasen zu Messungen in Fl¨¹ssigkeit ist von besonderer Bedeutung, weil die meisten chemischen Reaktionen und insbesondere die biochemisch interessanten Prozesse in Fl¨¹ssigkeiten stattfinden.?

Unter letzteren gibt es zahlreiche Prozesse, die wie die Photoemission von Wasser ebenfalls durch Lichtstrahlung ausgel?st werden. Die Photosynthese von Pflanzen z?hlt dazu sowie die biochemischen Vorg?nge auf unserer Netzhaut, welche uns das Sehen erm?glichen, und durch R?ntgen-Strahlung oder andere ionisierende Strahlung verursachte Sch?den an der DNA. Mit der Hilfe von Attosekundenmessungen d¨¹rften Wissenschaftler in den n?chsten Jahren neue Einblicke in diese Reaktionen gewinnen.