Freie-Elektronen-Laser macht „molekulares Kugellager“ sichtbar

Tuesday, 3rd January 2017Diverses

 

Die Doktoranden Matias Fagiani (li.) und Sreekanta Debnath (re.) vor dem Undulator des Freie-Elektronen-Lasers am Fritz-Haber-Institut.

Die Doktoranden Matias Fagiani (li.) und Sreekanta Debnath (re.) vor dem Undulator des Freie-Elektronen-Lasers am Fritz-Haber-Institut.

Der Freie-Elektronen-Laser (FEL) des Fritz-Haber-Instituts (FHI) erzeugt intensive Pulse von Infrarotstrahlung, deren Wellenlänge über einen weiten Bereich variiert werden kann. Im Gegensatz zu konventionellen Lasern, wo die Strahlung in einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper entsteht, wird sie im FEL von einem Elektronenstrahl erzeugt, der frei durch ein Vakuumrohr verläuft. Durch starke, abwechselnd gepolte Magnetfelder werden die Elektronen in einem sogenannten Undulator (siehe Abb. 1) wie beim Slalom zum Schlingern (Undulation) gebracht; dadurch senden sie Strahlung aus.. Die Wellenlänge der Strahlung kann durch Änderung der Elektronenenergie oder der Magnetfeldstärke variiert werden Bevor die Elektronen den Undulator durchlaufen, müssen sie allerdings auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dazu benötigt man einen aufwendigen Elektronenbeschleuniger. Eine solche Anlage ist seit 2013 am Fritz-Haber-Institut in Betrieb.

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Leipzig und dem Institut für Optik und Atomare Physik der Technische Universität Berlin konnte die Strahlung des FHI FEL genutzt werden, um ein außergewöhnliches molekulares System, die Bor-Verbindung B13+, zu erforschen. Es war schon länger bekannt, dass genau dreizehn Bor-Atome eine besonders stabile Verbindung, einen sogenannten „magischen Cluster“, bilden können. Dessen Struktur ist planar und besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Ringen: einem inneren Ring aus drei und einem äußeren Ring aus zehn Bor-Atomen (siehe Abb. 2). Das Besondere daran ist, dass die Struktur zwar außerordentlich stabil, aber trotzdem nicht starr ist. Die Arbeitsgruppe um Thomas Heine (Theoretische Chemie, Leipzig) hatte schon vor einigen Jahren theoretisch vorausgesagt, dass die beiden Ringe sich wie in einem Kugellager gegeneinander verdrehen lassen, ohne dadurch die Gesamtstabilität der Verbindung zu beeinträchtigen. Die Elektronenpaare übernehmen dabei die Rolle der Kugeln, die eine quasi reibungslose, gegenläufige Bewegung der atomaren Ringe ermöglichen.

Der Arbeitsgruppe von Knut Asmis (Physikalische Chemie, Leipzig) ist es in Zusammenarbeit mit André Fielicke (TU Berlin) gelungen, dieses ungewöhnliche molekulare System aus Bor herzustellen. Der Nachweis dafür, dass die Struktur tatsächlich aus zwei konzentrischen Ringen aufgebaut ist und diese wie vorhergesagt gegeneinander rotieren können, konnte mit Hilfe des FHI FEL erbracht werden. Dessen intensive IR-Strahlung von durchstimmbarer Wellenlänge ermöglichte die Messung des Schwingungsspektrums von B13+. Solch ein Spektrum ist wie ein Fingerabdruck der in einem Molekül oder Cluster möglichen Bewegungen. Für den B13+-Cluster geht aus dem Spektrum der eindeutige Hinweis auf die Quasirotation der beiden Ringe zueinander hervor.titelbild_de_png

Für Wieland Schöllkopf, den wissenschaftlichen Leiter des FHI FEL, ist dieses Resultat, das mit keinem konventionellen Laser möglich gewesen wäre, ein beeindruckendes Beispiel für die Anwendungsmöglichkeiten der FEL-Strahlung. Darüber hinaus führt der Nachweis eines aus nur 13 Atomen bestehenden molekularen Kugellagers in das spannende und hochaktuelle Forschungsgebiet der sogenannten „Molekularen Maschinen“, ein Forschungsgebiet, dessen Entwicklung just mit dem Nobelpreis für Chemie 2016 ausgezeichnet wurde.

Veröffentlichung:

Untersuchung der Struktur und Dynamik des B13+ mithilfe der Infrarot-Photodissoziationsspektroskopie
M.R. Fagiani, X. Song, P. Petkov, S. Debnath, S. Gewinner, W. Schöllkopf, T. Heine, A. Fielicke, K.R. Asmis
Angew. Chem. 129, 515-519 (2017)