Ein interdisziplinäres Team von Experimentalphysikern der Universität von Köln und Bochum haben eine weitere Wissenslücke im Feld der Molekularbiologie und Chemie entschlüsselt. Unter Leitung des Kölner Wissenschaftlers Prof. Dr. Stephan Schlemmer, des Bochumer Chemieprofessors Dominik Marx sowie Wissenschaftlern des FOM Instituts für Plasmaphysik im niederländischen Rjinhuizen, einem Phänomen auf die Spur zu kommen. In einer besonderen Form des so genannten "protonierten Methans" wechseln die Wasserstoffatome ihre Plätze. Das Phänomen war bislang nicht bekannt, mit neuen Messmethoden sind die Forscher aus NRW und den Niederlanden dieser Atombewegung auf die Schliche gekommen. Die Wissenschaftler interessierte besonders die Frage, was mit der Bewegungsfreiheit dieses Chamäleons geschieht, wenn man nach und nach die Wasserstoffatome durch schwerere Deuteriumatome ersetzt. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden am gestrigen Montagsbeginn in der renommierten britischen Fachzeitschrift "Nature Chemistry" veröffentlicht, teilte die Kölner Hochschule am heutigen Dienstag mit.

Trotz der rasend schnellen Bewegung der Wasserstoffatome im protonierten Methan (CH5+) sortieren sich die Wasserstoffatome bevorzugt in einer Zweiergruppe (H2) und einem Dreibein (CH3). Die Forscher reduzierten ihre Fragestellung auf eine bestimmte Experimentalanordnung: Gibt es wegen dieser Sortierung und trotz der Bewegung Lieblingsplätze für die Wasserstoffatome, wenn man einige Wasserstoffatome (H) durch ihre schweren Brüder Deuterium (D) ersetzt? Zur Beantwortung dieser Frage haben die Forscher die H-Atome im CH5+ Molekül schrittweise durch D-Atome ersetzt und von den so entstandenen Molekülen Messungen per Infrarotspektren aufgenommen. Dazu wurden die Moleküle in einem Ionenspeicher festgehalten, auf tiefe Temperaturen heruntergekühlt, und dann mit dem Infrarotlaser FOM-Instituts für Plasmaphysik "beleuchtet". Dabei zeigten die Kölner Spektren dramatische Unterschiede für die verschiedenen Moleküle. Mit den anschließenden Spezialmessungen der Bochumer Chemiker konnten die Spektren dann gedeutet werden als der Quantennatur der Bewegung der H und D-Atome Rechnung entsprechend. Bei dem Vergleich mit den experimentellen Spektren bestätigte sich schließlich, was die Forscher schon seit langem vermutet hatten: Die H und D Atome setzen sich tatsächlich bevorzugt an ihre Lieblingsplätze.

Mit der Entschlüsselung dieses Phänomens sind die Fragen der Forscher aber keineswegs zufrieden. Vielmehr ergeben sich neue Fragen, auch wenn das untersuchte CH5+-Molekül als Prototyp für eine ganze Klasse von Molekülen gilt, bei denen die Atome ihre Plätze tauschen. Nun wollen die Forscher untersuchen, ob die schnellen Bewegungen der Atome mit der Anlagerung weiterer Aggregate abnimmt.