Kontrollierte chemische Reaktionen mit einzelnen lokalisierten Molekülen

Fluoreszenzaufnahme eines Coulomb-Kristalls aus lasergekühlten Calcium-Ionen sowie 24 sympathetisch gekühlten, nicht fluoreszierenden N₂⁺-Molekülionen in der Mitte.
Die Reaktivität einer chemischen Verbindung, also ihre Fähigkeit in einer chemischen Reaktion umgesetzt zu werden, wird massgeblich durch ihren Energieinhalt beeinflusst. Dieser wiederum äussert sich in der Bewegung der Moleküle. So kann sich ein Molekül im Raum bewegen (Translation), drehen (Rotation) oder schwingen (Vibration). Gelingt es, die einzelnen Formen der molekularen Bewegung gezielt zu manipulieren, kann man ihren Einfluss auf die chemische Reaktivität untersuchen und ausnutzen. Diese absolute Kontrolle über Moleküle und ihre Reaktionen ist ein wichtiges Ziel in der Chemie.

Eine Kontrolle der Geschwindigkeit (Translationsenergie) gelingt durch eine extreme Abkühlung nahe an den absoluten Nullpunkt (ca. -273 °C). In den Experimenten am Departement Chemie der Universität Basel haben die Forscher im Ultrahochvakuum einzelne elektrisch geladene Moleküle im elektrischen Feld einer Ionenfalle festgehalten und durch den mit lasergekühlten Calcium-Ionen in einem sogenannten Coulomb-Kristall fixiert.

Die Arbeitsgruppe um Stefan Willitsch im Departement Chemie hat diese Methode verfeinert, indem sie die Vibrations- und Rotationsenergie der Molekülionen bereits vor der Abkühlung festgelegt hat und somit die wichtigsten Bewegungsformen der Moleküle präzise kontrollieren konnte. Die räumliche Fixierung der Teilchen steigerte die Empfindlichkeit des Experiments zusätzlich und ermöglichte die Untersuchung chemischer Prozesse mit einzelnen isolierten Molekülen.

Beim Ladungstransfer, den die Forscher untersucht haben, wird die positive Ladung von einem Stickstoffmolekül auf ein anderes übertragen. Diese Reaktion wurde in der Arbeitsgruppe Willitsch so umgesetzt, dass sie einen Strahl von N₂-Molekülen mit lokalisierten N₂⁺-Molekülionen jeweils definierter Energie kollidieren liess. Die Interpretation der Messergebnisse gelang mithilfe von Computersimulationen, welche die Gruppe von Markus Meuwly durchführte. Im Zusammenspiel von Theorie und Experiment konnten die Forscher erstmals detailliert zeigen, wie im Verlauf eines Ladungstransfers Translationsenergie in Rotationsenergie umgewandelt wird.

Die Forscher erhoffen sich von diesen hochpräzisen Experimenten ein tieferes Verständnis der chemischen Reaktivität, was letztlich zu einer besseren Kontrolle chemischer Reaktionen führen soll.

Originalbeitrag
Xin Tong, Tibor Nagy, Juvenal Yosa Reyes, Matthias Germann, Markus Meuwly, Stefan Willitsch
State-selected ion-molecule reactions with Coulomb-crystallized molecular ions in traps
Chemical Physics Letters (2012), published online 27 June 2012