Moleküle zeigen Wellencharakter

Wenn sich Wellen treffen, entsteht eine neue einzelne Welle. Dieses Interferenz genannte Phänomen kennt man von Schall- oder Lichtwellen. Interferenzmuster lassen sich aber auch für grosse organische Moleküle beobachten, womit die Wellennatur dieser Teilchen nachgewiesen werden kann. Chemikern ist es nun gelungen, Moleküle herzustellen, die sich für solche Untersuchungen speziell eignen. 

Die von den Forschenden verwendete Methode der Molekülinterferometrie erlaubt es, den quantenmechanischen Welle-Teilchen-Dualismus mit grossen organischen Molekülen zu untersuchen. Hierbei interessiert insbesondere die Frage, wie sich die innere Struktur und die Dynamik komplexer Teilchen auf das Wellenverhalten ihrer Schwerpunktsbewegung auswirken. Es handelt sich um die ersten Experimente dieser Art im Graubereich zwischen Quantenwelt und klassischer Mechanik.

Um den übergang zwischen der Quantenwelt und der klassischen Mechanik zu verstehen, ist es wichtig, Moleküle mit zunehmender Masse und Komplexität zu untersuchen. Für Interferenzexperimente werden zur Erzeugung des Molekularstrahls Verbindungen benötigt, die einen hohen Dampfdruck haben, auch bei hohen Temperaturen stabil bleiben und leicht ionisierbar sind. Die zwei ersten Eigenschaften finden sich bei hoch fluorierten Verbindungen, also Verbindungen, die viele Fluoratome enthalten. Um hohe Molekulargewichte und gute Ionisierungseigenschaften zu erreichen, wählten die Chemiker der Universität Basel einen Ansatz, bei dem sie verzweigte fluorierte Gruppen an einen Porphyrin-Kern anhängten.

Modulare Synthesestrategie

Das Ziel der Forscher war es, einen bestimmten Massenbereich abzudecken und das Moleküldesign bezüglich der gewünschten Eigenschaften zu verbessern. Durch die modulare Synthesestrategie, bei der zunächst die peripheren fluorierten Bausteine synthetisiert und danach an das Porphyrin-Zentrum gekoppelt werden, ist es leicht möglich, die Molekülstrukturen zu modifizieren und im Hinblick auf die Interferenzexperimente zu optimieren.

Die Forscher konnten zeigen, dass mit sieben von ihnen synthetisierten fluorierten Porphyrinen Molekülinterferometrie-Experimente möglich sind. Einige dieser Verbindungen zählen zu den grössten Objekten, für die Welleneigenschaften bislang beobachtet werden konnten, sodass die hier beschriebenen Experimente massgeblich zur Erforschung der Grenzen der Quantenmechanik beitragen.

Im Vordergrund steht dabei die Frage, ob es für den Welle-Teilchen-Dualismus praktische oder prinzipielle Grenzen für Masse und Komplexität gibt. In Zukunft wird daher versucht werden, über die modulare Synthesestrategie die Komplexität solcher Verbindungen weiter zu erhöhen, um Interferenzexperimente mit noch grösseren Objekten zu ermöglichen.