Chemiker erzeugen molekulares Kugellager
Molekulare Stabilität setzt keine strukturelle Starrheit voraus. Wissenschaftlern am Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Leipzig ist es erstmals gelungen, ein molekulares Kugellager nicht nur zu erzeugen, sondern auch dessen Beweglichkeit spektroskopisch nachzuweisen. Sie arbeiteten dabei zusammen mit Forschern des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und des Instituts für Optik und Atomare Physik der Technischen Universität Berlin.
In ihrem Artikel, der sowohl in englischer als auch in deutscher Sprache erscheint, legen die Leipziger Wissenschaftler um die Arbeitskreise von Prof. Dr. Thomas Heine (Theoretische Chemie) und Prof. Dr. Knut Asmis (Physikalische Chemie) den ersten spektroskopischen Nachweis der außergewöhnlichen Dynamik eines aus reinem Bor bestehenden Moleküls vor, das sich wie ein molekulares Kugellager verhält. Bor (B) ist ein chemisches Element, welches zum Beispiel in der Glasindustrie in Form von Boraxgläsern und -keramiken genutzt wird. "Es war aus massenspetrometrischen Messungen schon länger bekannt, dass genau dreizehn Boratome eine besonders stabile Verbindung, einen sogenannten magischen Cluster, eingehen können", sagt Knut Asmis. Dessen Struktur ist eben und besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Ringen, einem inneren Ring bestehend aus drei Bor-Atomen, umgeben von einem äußeren zehnatomigen Bor-Ring. Heine hatte vor einigen Jahren theoretisch voraussagt, dass die beiden Ringe sich fast reibungslos gegeneinander verdrehen lassen, ohne dadurch die Gesamtstabilität der Verbindung in irgendeiner Weise zu beeinträchtigen. "Hier sind die Kugeln Elektronenpaare, die die quasi reibungslose gegenläufige Bewegung der atomaren Ringe ermöglichen."
Die theoretische Voraussage motivierte Asmis, unterstützt von Dr. André Fielicke von der TU Berlin und Dr. Wieland Schöllkopf vom Fritz-Haber-Institut (FHI), spektroskopische Untersuchungen am Freien Elektronen Laser am FHI in Berlin durchzuführen. "Mit kommerziell erhältlichen Lasern war der Nachweis nicht zu führen, da dies nur mit äußerst intensiver Laserstrahlung in einem ganz bestimmten Wellenlängenbereich möglich ist", sagt Schöllkopf. Genau diese Art von elektromagnetischer Strahlung ist am FHI zugänglich. Durch Messung des Infrarotspektrums und der begleitenden quantenmechanischen Rechnungen aus der Heine-Gruppe konnte der Nachweis für das molekulare Kugellager erbracht werden.
"Wir erreichen den Punkt, wo Quanteneffekte gezielt für die Funktionalität molekularer Systeme eingesetzt werden können", meint Thomas Heine. "Obschon die Anwendung dieser Ergebnisse noch weit in der Zukunft liegt, versprechen sie ein riesiges Potenzial, insbesondere in Anbetracht der Tatsache, dass der Nobelpreis für Chemie in diesem Jahr für Entdeckungen im Bereich der 'Molekularen Maschinen' verliehen wurde. Die Nanotechnologie wird von Erkenntnissen wie unseren immens profitieren können."
Originalveröffentlichung
Matias R. Fagiani, Xiaowei Song, Petko Petkov, Sreekanta Debnath, Sandy Gewinner, Wieland Schöllkopf, Thomas Heine, André Fielicke, Knut R. Asmis; "Untersuchung der Struktur und Dynamik des B13+ mithilfe der Infrarot‐Photodissoziationsspektroskopie"; Angew. Chem.; 2016
Matias R. Fagiani, Xiaowei Song, Petko Petkov, Sreekanta Debnath, Sandy Gewinner, Wieland Schöllkopf, Thomas Heine, André Fielicke, Knut R. Asmis; "Structure and Fluxionality of B13+ Probed by Infrared Photodissociation Spectroscopy"; Angew. Chem. Int. Ed.; 2016
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