Erstmals beobachtet: Reaktives Molekül

17.02.2015 - Deutschland

Zum ersten Mal ist es Forschern gelungen, ein für die Verbrennung zentrales Molekül aufzuspüren und dessen Reaktivität gegenüber Sauerstoff zu messen. Dank dieser bahnbrechenden Leistung, an der Dr. Oliver Welz von der Universität Duisburg-Essen (UDE) beteiligt ist, können nun Verbrennungsprozesse besser vorhergesagt werden. Die Entdeckung ermöglicht u.a. sauberere und effizientere Kraftfahrzeuge. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Entdeckt und erstmals nachgewiesen haben die Forscher Hydroperoxyalkyl-Radikale, die außerordentlich schwer zu beobachten sind. Radikale sind für eine Verbrennung unverzichtbar: Sie initiieren sie und halten sie aufrecht. Andererseits laufen bei einer Verbrennung zigtausend chemische Reaktionen nahezu gleichzeitig ab. In diesem Umfeld Radikale zu identifizieren ist auch deshalb sehr schwer, weil sie sehr schnell reagieren und dabei neue chemische Bindungen eingehen. Dennoch sind viele Aspekte der Verbrennung bereits gut untersucht. Offene Fragestellungen betreffen vor allem die Zündung und die chemischen Reaktionen, die darüber entscheiden, ob und wie schnell sich ein Brennstoff-Luft-Gemisch entzündet.

Oliver Welz: „Dank der Vorarbeiten wussten wir bereits, dass Hydroperoxyalkyl-Radikale zentral sind im komplexen Netzwerk der Zündreaktionen. Das zeigte sich nämlich schon in den Reaktionsprodukten der Zündchemie.“ Zusammen mit Kollegen an den Sandia National Laboratories in Livermore (USA) gelang ihm nun erstmals die Entdeckung eines solchen Radikals. „Wir probierten verschiedene Ideen aus, hatten aber zunächst keinen Erfolg“, so Oliver Welz. „Diese Spezies ist wirklich extrem reaktiv und kurzlebig. Entscheidend ist die Wahl des geeigneten Brennstoffmoleküls.“ Die richtige Idee hatte der Sandia-Kollege Dr. John Savee. Er schlug vor, 1,3-Cycloheptadien zu verwenden, ein Ringmolekül mit sieben Kohlenstoffatomen.

Für die Überprüfung nutzte das Forscherteam ein Multiplex-Photoionisierungs-Massenspektrometer (MPIMS). Der direkte Nachweis des spektralen Fingerabdrucks gelang dann am Advanced Light Source-Synchrotron in Berkeley, USA, dank der intensiven durchstimmbaren Synchrotronstrahlung. Gestützt wurde diese Beobachtung durch quantenmechanische Rechnungen. Welz: „Interessant ist, dass das jetzt aufgespürte Radikal eine ungewöhnlich lange Lebensdauer hat und deutlich langsamer mit Sauerstoff reagiert als ursprünglich angenommen. Nun muss herausgefunden werden, wie sich dies auf die technische Weiterentwicklung von Verbrennungsprozessen auswirkt.“

Oliver Welz ist begeistert, denn seinem Forscherteam war bereits 2012 und 2013 der direkte Nachweis von Criegee-Intermediaten gelungen, einer anderen Klasse an reaktiven Molekülen: „Teil dieser Forschergruppe zu sein, dem der Nachweis von gleich zwei Schlüsselintermediaten gelingt, ist für mich unbeschreiblich.“