Ein internationales Team hat an BESSY II erstmals verfolgt, wie schwere Moleküle – in diesem Fall Bromchlormethan – in kleinere Fragmente zerfallen, wenn sie Röntgenlicht absorbieren. Mit einer neu entwickelten Analysemethode konnten sie die ultraschnelle Dynamik dieses Prozesses visualisieren. Dabei lösen die Röntgenphotonen einen „molekularen Katapulteffekt“ aus: Leichte Atomgruppen werden zuerst herausgeschleudert, ähnlich wie Projektile, die aus einem Katapult abgefeuert werden, während sich die schwereren Atome – Brom und Chlor – langsamer trennen.
Wenn Röntgenstrahlen auf Moleküle treffen, können sie Elektronen aus bestimmten Orbitalen in extrem energiereiche Zustände stoßen und so chemische Bindungen aufbrechen. Dies geschieht oft ultraschnell, in nur wenigen Femtosekunden (10-15 s). Während dieses Phänomen bei leichten Molekülen wie Ammoniak, Sauerstoff, Salzsäure oder einfachen Kohlenstoffverbindungen untersucht wurde, wurde es bei Molekülen mit schwereren Atomen kaum untersucht.
Ein Team aus Frankreich und Deutschland hat nun den schnellen Zerfall von halogenhaltigen Molekülen untersucht. Sie konzentrierten sich auf ein Molekül, in dem Brom- und Chloratome durch eine leichte Brücke – eine Alkylengruppe (CH2) – verbunden sind. Die Messungen wurden an der XUV-Beamline von BESSY II durchgeführt.
Durch die Absorption der Röntgenstrahlen brachen molekulare Bindungen auf und es entstanden ionische Fragmente, die analysiert werden konnten. Aus den Messdaten konnten die Wissenschaftler eine Visualisierung erstellen. Es zeigt, wie sich die Atome in den flüchtigen Zwischenzuständen bewegen, kurz bevor die Bindungen brechen. Dazu entwickelte das Team eine neue Analysemethode namens IPA (Ion Pair Average) und kombinierte diese mit theoretischen Ab-initio-Berechnungen, um die Prozesse zu rekonstruieren.
Die Ergebnisse zeigen, dass leichte Atomgruppen wie CH2 zuerst herausgeschleudert werden, während die schwereren Atome – Brom und Chlor – zurückbleiben und sich daher langsamer trennen. Interessanterweise tritt dieses katapultartige Verhalten nur bei bestimmten Röntgenenergien auf. Theoretische Simulationen unterstreichen in Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen die entscheidende Rolle der Schwingungen der leichteren Atomgruppen bei der Auslösung dieser ultraschnellen Reaktionen.
„Diese Studie unterstreicht die einzigartige Dynamik der molekularen Dissoziation bei Röntgenbestrahlung“, sagt Dr. Oksana Travnikova (CNRS, Université Sorbonne, Frankreich), jetzt Erstautorin der Studie veröffentlicht In Das Journal of Physical Chemistry Letters.
Insbesondere zeigt sich, dass die katapultartige Bewegung leichter Gruppen die Trennung schwerer Fragmente einleitet, ein Prozess, der in bemerkenswert kurzer Zeit abläuft. Diese Erkenntnisse könnten unser Verständnis chemischer Reaktionen auf molekularer Ebene und der Auswirkungen energiereicher Strahlung auf komplexe Moleküle vertiefen.
Weitere Informationen:
Oksana Travnikova et al, Röntgeninduziertes molekulares Katapult: Ultraschnelle Dynamik durch leichte Verbindungen, Das Journal of Physical Chemistry Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.jpclett.4c02511