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Elektronenbewegungen in Flüssigkeit in Superzeitlupe gemessen

Mittels laserangeregter Fotoemission von Wasser wurde beobachtet, wie sich Elektronen bei einer chemischen Reaktion innerhalb der ersten Attosekunden bewegen.

Um zu verstehen, wie chemische Reaktionen beginnen, untersuchen Chemiker seit Jahren mit Superzeitlupenexperimenten die allerersten Momente einer Reaktion. Mittlerweile sind Messungen mit einer Auflösung von wenigen Dutzend Attosekunden möglich. In dieser Zeitspanne einer Reaktion kann man bereits beobachten, wie sich Elektronen innerhalb von Molekülen verschieben. Später, im Verlauf von rund 10 000 Attosekunden (10 Femtosekunden) kommt es dann bei chemischen Reaktionen zu Bewegungen der Atome bis hin zum Bruch von chemischen Bindungen.

Professor Hans Jakob Wörner vom Laboratorium für physikalische Chemie der ETH Zürich gehörte vor fünf Jahren zu den ersten Wissenschaftlern, die in Molekülen Elektronenbewegungen auf der Attosekundenskala nachweisen konnten. Allerdings ließen sich solche Messungen bisher nur bei Molekülen in Gasform durchführen, weil sie in einer Hochvakuumkammer stattfinden.

Mit dem Bau einer neuen Messapparatur ist es Wörner und seinem Team nun gelungen, solche Bewegungen in Flüssigkeit nachzuweisen. Die Forscher nutzten dazu die Fotoemission von Wasser, bei der sie mit gepulstem Laserlicht Wassermoleküle bestrahlen, wodurch Elektronen aus ihnen herausgeschleudert werden.

Auch die neuen Messungen fanden im Hochvakuum statt. Wörner und sein Team nutzten dafür einen 25 µm dünnen Flüssigkeitsstrahl, den sie in die Messkammer einspritzten. Die Wissenschaftler konnten damit messen, dass Elektronen aus Wassermolekülen in Flüssigkeit 50 bis 70 Attosekunden später herausbefördert werden als aus Wassermolekülen in Dampfform. Der Zeitunterschied ist darauf zurückzuführen, dass die Moleküle in Flüssigkeit von anderen Wassermolekülen umgeben sind, was auf das einzelne Molekül einen messbaren Verzögerungseffekt hat.

„Elektronenbewegungen sind die Schlüsselereignisse in chemischen Reaktionen. Daher ist es so wichtig, sie auf einer hochaufgelösten Zeitskala zu messen“, sagt Wörner. „Der Schritt von Messungen in Gasen zu Messungen in Flüssigkeit ist von besonderer Bedeutung, weil die meisten chemischen Reaktionen und insbesondere die biochemisch interessanten Prozesse in Flüssigkeiten stattfinden.“, so der Wissenschaftler. Unter letzteren gibt es zahlreiche Prozesse, die wie die Fotoemission von Wasser ebenfalls durch Lichtstrahlung ausgelöst werden. Die Fotosynthese von Pflanzen zählt dazu sowie die biochemischen Vorgänge auf unserer Netzhaut, welche uns das Sehen ermöglichen, und durch Röntgenstrahlung oder andere ionisierende Strahlung verursachte Schäden an der DNA. Mit der Hilfe von Attosekundenmessungen dürften Wissenschaftler in den nächsten Jahren neue Einblicke in diese Reaktionen gewinnen.

von mg

Originalveröffentlichung:
[Jordan I., Huppert M., Rattenbacher D., Peper M., Jelovina D., Perry C., von Conta A., Schild A., Wörner H. J., Attosecond spectroscopy of liquid water. Science 2020, 369: 974, DOI: 10.1126/science.abb0979]

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