Einem Wissenschaftlerteam der Universität zu Köln unter Leitung von Professor Dr. Stephan Schlemmer ist es in Zusammenarbeit mit einem japanischen Kollegen erstmals gelungen, das Spektrum des hochflexiblen Moleküls  CH5+ mittels extremer Kühlung und genauer Vermessung seiner Schwingungsübergänge zu verstehen. Die Originalpublikation erscheint am 20. März 2015 im Wissenschaftsmagazin Science. CH5+, auch bekannt als protoniertes Methan, gehört zu der Klasse hochflexibler Moleküle.

Anders als bei gewöhnlichen Molekülen, die als ein starres Modell aus Kugeln (Atomkernen) und Verbindungsstrichen (chemische Bindung) dargestellt werden, bewegen sich bei einem  CH5+ Molekül die fünf Wasserstoffatomkerne fast frei um den Kohlenstoffkern, sogar am absoluten Temperaturnullpunkt. Das Molekül ist somit ständig in Bewegung; Bindungen werden immer wieder gebrochen und neue Bindungen werden gebildet.

Das Modellbild der Kugeln und Striche ist damit für  CH5+ hinfällig. Daher steht die Frage im Raum, ob  CH5+ überhaupt eine Struktur besitzt.Diese außerordentliche Flexibilität des Moleküls macht sich in den Spektren bemerkbar.

Normalerweise können die im Labor gemessenen Spektren zur Charakterisierung und Identifizierung von Molekülen dienen. Mit Hilfe geeigneter Modelle liefern hierbei die Schwingungsfrequenzen Informationen sowohl über die Bindungsstärken als auch über die Molekülstruktur. Die bisher bekannten Schwingungsspektren von  CH5+ sind allerdings so chaotisch, dass man nicht einen einzigen der vielen hundert beobachteten Rotations-Schwingungsübergänge verstehen und zuordnen konnte.

Bisher galt dies als eins der letzten großen Rätsel der Molekülphysik.Durch die Verwendung eines neu aufgebauten Ionenfallenexperimentes war es den Kölner Forschern nun möglich, ein sehr reines Ensemble von CH5+ Ionen zu erzeugen und dieses bis nahe an den absoluten Nullpunkt zu kühlen.

Mithilfe eines sogenannten Frequenzkamms ließen sich die Schwingungsübergänge sehr genau vermessen und damit die untersten Energiezustände des Moleküls erstmals rekonstruieren. Bisher fehlen jegliche theoretische Modelle zu dem hochflexiblen Molekül, was die hochtechnisierte Herangehensweise der Wissenschaftler notwendig machte. So fußen die Ergebnisse alleine auf experimentellen Daten und dem Fundament der Quantentheorie, wonach den beobachteten Frequenzen ein eindeutiges Energieschema zugrunde liegt.

Erstaunlicherweise sind die neu gewonnenen Daten jedoch mit einer einfachen Vorstellung vereinbar, nach der sich die fünf Wasserstoffatomkerne gegeneinander fast frei bewegen können, während ihr Abstand zum zentralen Kohlenstoff dabei mehr oder weniger konstant ist. Weitere Untersuchungen müssen nun zeigen, ob diese einfache Deutung zulässig ist.

In jedem Fall werden diese hochakkuraten Daten zukünftige theoretische Interpretationsmodelle der entdeckten Energiewerte herausfordern. Die gesamte Forschung zur Klasse der hochflexiblen Moleküle wird von diesen Entwicklungen profitieren.


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Quelle: Universität zu Köln (03/2015)


Publikation:
"Experimental Ground State Combination Differences of  CH5+ ", Science Magazine, Autoren: Oskar Asvany, Koichi M. T. Yamada, Sandra Brünken, Alexey Potapov, Stephan Schlemmer