Lichtwellen ermöglichen bevorzugten Bindungsbruch in symmetrischen Molekülen

Illustration of the directional proton emission in acetylene with a specific laser waveform. (Graphic: Christian Hackenberger, MPQ, Attosecond Physics Division).

Chemische Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen gehören zu den stärksten in der Natur. Für die chemische Synthese und die Entwicklung neuer biologisch-aktiver Moleküle ist es von großem Interesse, insbesondere in symmetrischen Molekülen, diese Bindungen selektiv zu brechen. Am Beispiel von Acetylen-Ionen hat jetzt ein internationales Wissenschaftlerteam gezeigt, dass dies mit ultrakurzen Lichtpulsen maßgeschneiderter Wellenform möglich ist. Die Forscher fanden heraus, dass sie durch Variation der Pulsform steuern können, welche der beiden C-H Bindungen des symmetrischen H-C≡C-H Moleküls bricht. In ihrer Veröffentlichung (Nature Communications, DOI:10.1038/ncomms4800) erklären sie ihre Ergebnisse mit einem neuen Quantenkontrollmechanismus, der auf der Kombination lichtinduzierter Schwingungen beruht.

Kohlenwasserstoffe spielen eine bedeutende Rolle in der organischen Chemie, der Verbrennung und der Katalyse. Der selektive C-H Bindungsbruch könnte neue Perspektiven für die Synthese von Molekülen mit neuartigen Funktionalitäten und Anwendungen in der Medizin eröffnen. Bisher gab es vor allem für symmetrisch aufgebaute Moleküle kein Verfahren, das diesen Prozess ermöglicht hätte. Prof . Ali Alnaser (Amerikanische Universität Sharjah, VAE) , der sein Forschungsfreisemester in der Abteilung von Prof. Ferenc Krausz am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) im Rahmen einer Kollaboration zwischen dem MPQ, der King-Saud Universität (KSU) und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) verbracht hat, konnte dieses Problem zusammen mit einem Physikerteam unter der Leitung von Prof. Matthias Kling (LMU) mit Hilfe ultrakurzer Lichtpulse lösen. Mitentscheidend für den Erfolg der Experimente war die Erzeugung der Lichtpulse mit einer hohen Wiederholrate von zehntausend Pulsen pro Sekunde in der Gruppe von Prof. Ulf Kleineberg (LMU), wodurch die Messzeiten gegenüber bisher verfügbaren Systemen reduziert werden konnten. Theoretische Arbeiten aus der Gruppe von Prof. Regina de Vivie-Riedle (LMU) erklären im Einzelnen, welche Vorgänge in der Wechselwirkung von Laserpuls und Molekül zu diesem Effekt führen.

Originalveröffentlichung:
A.S. Alnaser, M. Kübel, R. Siemering, B. Bergues, Nora G. Kling, K.J. Betsch, Y. Deng, J. Schmidt,
Z.A. Alahmed, A.M. Azzeer, J. Ullrich, I. Ben-Itzhak, R. Moshammer, U. Kleineberg, F. Krausz, R.
de Vivie-Riedle, and M.F. Kling
Sub-femtosecond Steering of Hydrocarbon Deprotonation through Superposition of Vibra-
tional Modes
Nature Communications, DOI:10.1038/ncomms4800, 8. Mai 2014