Wenn man ein Streichholz entzündet, Eisen rostet oder Pflanzen durch Photosynthese wachsen: Jede chemische Reaktion auf der Welt entsteht durch den Zusammenstoß von Atomen oder Molekülen. Dabei kommt es zu Wechselwirkungen, die Bindungen zerstören beziehungsweise entstehen lassen können. „Diese Prozesse zu verstehen und die relevanten Faktoren zu steuern, ist eine der fundamentalsten Fragen der Chemie“, schildert Leonhard Grill.
Ähnlich wie bei einer Kollision zweier Autos bestimmen die zur Verfügung stehenden Bewegungsenergien – also die Geschwindigkeiten – und die räumliche Anordnung der beteiligten Objekte – das heißt, ob sie zum Beispiel frontal aufeinanderprallen oder sich eher am Rand berühren – den Ausgang des Stoßes. „Während man diese Faktoren bei Fahrzeugen sehr gut identifizieren und steuern kann, ist das auf der Ebene einzelner Atome und Moleküle eine große Herausforderung“, veranschaulicht der Forscher. Die Energie der Teilchen kann zum Beispiel über die Temperatur oder elektrische Felder gesteuert werden. Die exakte Geometrie während dem Aufprall ist jedoch wesentlich schwieriger zu bestimmen.
Matthew Timm lenkte nun zum ersten Mal die Bahnen einzelner Moleküle mit einer Präzision im Pikometerbereich – das ist ein Billionstel Meter, also weniger als der Durchmesser eines einzelnen Atoms. Dies gelang dadurch, dass die Kollisionen auf einer Oberfläche stattfanden, auf der sich die „Projektil“-Moleküle geradlinig fortbewegen, bis sie mit einem stillstehenden „Ziel“-Molekül zusammenstoßen. Darüber hinaus konnte sowohl die Position als auch die Ausrichtung der Ziele exakt eingestellt und systematisch variiert werden. Mithilfe eines Rastertunnelmikroskops war es so möglich, den Ausgang jeder einzelnen Kollision zu verfolgen.
Dabei hat sich herausgestellt, dass erfolgreiche Reaktionen ausschließlich dann stattfinden, wenn sich die Teilchen an einer speziellen Stelle berühren, nämlich beim reaktivsten Atom des „Ziel“-Moleküls. Außerdem muss das Ziel in einem bestimmten Winkel zur Bahn des Projektils orientiert sein. „Wir konnten in unserer Studie zum allerersten Mal überhaupt den sogenannten Reaktionskegel für eine chemische Reaktion vermessen. Durch diesen bisher fehlenden Puzzlestein verstehen wir nun die relevanten Faktoren einer Kollision und damit das Ergebnis von Reaktionen“, fasst Grill zusammen. Dadurch könnte sich in Zukunft die Reaktionsfähigkeit von Molekülen gezielt optimieren lassen.
Publikation:
Matthew Timm, Adam Matej, Ilias Gazizullin, Qifan Chen, Stefan Hecht, Pavel Jelinek und Leonhard Grill: Spatially resolving the cone of reaction for a single molecule, Science
DOI: 10.1126/science.aec7913