Physiker entdecken neue Regel für die Orbitalbildung bei chemischen Reaktionen

Quietschend, wolkig oder kugelförmig – Elektronenorbitale zeigen, wo und wie sich Elektronen um Atomkerne und Moleküle bewegen. In der modernen Chemie und Physik haben sie sich als nützliches Modell zur quantenmechanischen Beschreibung und Vorhersage chemischer Reaktionen erwiesen. Nur wenn die Orbitale räumlich und energetisch übereinstimmen, können sie kombiniert werden – das passiert, wenn zwei Substanzen chemisch miteinander reagieren. Darüber hinaus muss noch eine weitere Bedingung erfüllt sein, wie Forscher des Forschungszentrums Jülich und der Universität Graz nun herausgefunden haben: Der Ablauf chemischer Reaktionen scheint auch von der Orbitalverteilung im Impulsraum abhängig zu sein. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Chemische Reaktionen sind letztlich nichts anderes als der Auf- und Abbau von Elektronenbindungen, die man auch als Orbitale bezeichnen kann. Die sogenannte Molekülorbitaltheorie ermöglicht es also, den Weg chemischer Reaktionen vorherzusagen. Die Chemiker Kenichi Fukui und Roald Hoffmann erhielten 1981 den Nobelpreis für die starke Vereinfachung der Methode, die zu ihrer weit verbreiteten Verwendung und Anwendung führte.

„Normalerweise werden Energie und Ort der Elektronen analysiert. Wir haben uns aber mit der Methode der Photoemissionstomographie die Impulsverteilung der Orbitale angeschaut“, erklärt Dr. Serguei Soubatch. Zusammen mit seinen Kollegen vom Peter Grünberg Institut (PGI-3) in Jülich und der Universität Graz in Österreich adsorbierte er in einer Reihe von Experimenten verschiedene Arten von Molekülen auf Metalloberflächen und bildete den gemessenen Impuls im sogenannten Impulsraum ab .

„Die Photoemission von vielen verschiedenen Molekülen auf Metallen, die wir messen, lässt sich auch theoretisch vorhersagen. Als Modell nimmt man einfach das freie Molekül, das nicht mit dem Metall wechselwirkt. Aber als wir Oligophenyle auf Kupfer gemessen haben, haben wir plötzlich festgestellt, dass das experimentelle Ergebnis deutlich von den theoretischen Vorhersagen ab. Bestimmte Teile des Impulsraums blieben unbesetzt“, sagte Soubatch. Diese Impulsregionen stimmen mit bekannten Bandlücken elektronischer Zustände überein, die typischerweise in Edelmetallen vorkommen. Und auch eines der beteiligten Materialien, Kupfer, ist ein solches Edelmetall.

Für die Arbeit führten die Forscher Experimente am Elettra Synchrotron in Triest, Italien, durch. Dort betreibt ein internationales Konsortium unter Führung des Forschungszentrums Jülich das NanoESCA-Spektroskop an einer Beamline, die ein Photoemissionselektronenmikroskop für orbitaltomographische Messungen enthält. Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Michael durchgeführt. G. Ramsey und dem Theoretiker Prof. Peter Puschnig von der Universität Graz. Mit seinen quantenmechanischen Simulationen für das gesamte wechselwirkende System – Moleküle und Metalloberfläche – lieferte Peter Puschnig den Schlüssel zur Erklärung des neu entdeckten Auswahlkriteriums.