Forscher der Universit?t Paderborn und des Fritz-Haber-Instituts Berlin ver?ffentlichen in ?Science“
Einem Team von Physikern unter der Leitung von Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, Universit?t Paderborn, und Prof. Dr. Martin Wolf, Fritz-Haber-Institut Berlin, ist ein entscheidender Durchbruch gelungen: 365体育_足球比分网￥投注直播官网 haben weltweit zum ersten Mal und ?in Echtzeit“ die ?nderung der Elektronenstruktur w?hrend einer chemischen Reaktion beobachtet. Mithilfe umfangreicher Computersimulationen haben die Wissenschaftler die Ursachen und Mechanismen der Elektronenumverteilung aufgekl?rt und visualisiert. Ihre Ergebnisse wurden nun in der renommierten, interdisziplin?ren Fachzeitschrift ?Science“ ver?ffentlicht.
?Chemische Reaktionen sind durch die Bildung bzw. den Bruch chemischer Bindungen zwischen Atomen und den damit verbundenen ?nderungen atomarer Abst?nde gekennzeichnet“, erkl?rt Wolf Gero Schmidt. ?Diese Bewegungen auf atomaren Skalen sind extrem schnell: im Billiardstel einer Sekunde. W?hrend der Reaktion verschieben sich aber nicht nur die Atome, sondern es ver?ndern sich auch die Positionen und Energien der Elektronen in der Umgebung. Diese Dynamik ist entscheidend für die Bildung einer chemischen Bindung. Bis jetzt war sie jedoch nicht messbar“, so der Paderborner Wissenschaftler weiter.
Um der zeitlichen ?nderung der Elektronenstruktur auf die Spur zu kommen, pr?parierten die Physiker atomar dünne Dr?hte aus Indium, einem seltenen Schwermetall, auf einer Siliziumoberfl?che. Im sogenannten Grundzustand, bei niedriger Energie, bleiben die Elektronen bei ihren entsprechenden Indium-Atomen. Wenn dem System jedoch mit einem Laser mehr Energie zugeführt wird, verteilen sich die Elektronen entlang der Indium-Dr?hte und es entsteht eine sogenannte ?metallische Bindung“. Mittels Lichtbestrahlung unter verschiedenen Winkeln verfolgten die Forscher die dabei auftretenden ?nderungen von Energie und Impuls der Elektronen. Mit diesen Gr??en lassen sich Elektronen umfassend charakterisieren. Die Forscher konnten so der Entstehung einer chemischen Bindung zusehen. Diese dauert nur wenige Femtosekunden. Zum Vergleich: Eine Femtosekunde ist das Billiardstel einer Sekunde (1 Femtosekunde = 0,000.000.000.000.001 Sekunden). Durch Simulationen am Computer entstand anschlie?end eine ?Live-Aufnahme“ der chemischen Reaktion.
?Der Heilige Gral der Chemie“
?Die quantenmechanische Berechnung der vielen angeregten Elektronen (mit hoher Energie), die sich im komplexen Zusammenspiel mit der Dynamik der Atome befinden, erfordert Supercomputer-Ressourcen“, so Schmidt. Diese wurden durch das Paderborner Zentrum für Paralleles Rechnen (PC?) und das H?chstleistungsrechenzentrum Stuttgart zur Verfügung gestellt. Durch die Simulation wurde das physikalische Konzept von Energie- und Impulsverteilung der Elektronen mit dem chemischen Bild der Bindung zusammengeführt. ?Die wechselseitige Beeinflussung von atomaren und elektronischen Freiheitsgraden im Verlauf einer chemischen Reaktion ist gewisserma?en der Heilige Gral der Chemie“ erkl?rt Schmidt. ?Durch die Simulationen konnten wir in bisher unerreichter Detailsch?rfe den Zusammenhang zwischen elektronischer Anregung und Reaktionspfad aufkl?ren. Das wird uns zukünftig erlauben, elektronische Anregungen für Wunschreaktionen ma?zuschneidern.“
Link zum Artikel: http://science.sciencemag.org/content/362/6416/821
Digital Object Identifier (DOI): 10.1126/science.aar4183
