Ameisensäure gilt als ein Molekül, bei dem sich alle Atome in einer Ebene befinden. Forschende haben jetzt mit Experimenten nachgewiesen, dass die Atome der Ameisensäure die ganze Zeit minimal hin- und herschwingen. Daher ist das Molekül die meiste Zeit nicht flach, sondern dreidimensional, und verliert damit seine Symmetrie. Die Bewegungen der Atome sind Ausdruck quantenphysikalischer Effekte, denen zufolge Teilchen nie ruhen.
In traditionellen Chemiebüchern herrscht noch Ordnung: Atome in Molekülen sitzen an festen Plätzen, verbunden durch starre Stäbchen. Ein Molekül wie die Ameisen- oder Methansäure (HCOOH) stellen wir uns zweidimensional vor – flach wie ein Blatt Papier. Doch die Quantenphysik zeichnet ein anderes Bild, denn in Wahrheit verweigert sich die Natur der Starrheit und zwingt selbst einfachste Strukturen in die dritte Dimension.
Innerhalb von Femtosekunden
Forschende unter der Leitung von Prof. Reinhard Dörner vom Institut für Kernphysik der Goethe-Universität Frankfurt haben jetzt gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Universitäten Kassel, Marburg und Nevada, des Fritz-Haber-Instituts sowie des Max-Planck-Instituts für Kernphysik die genaue räumliche Struktur der «flachen» Ameisensäure mithilfe eines Röntgenstrahls der Röntgenstrahlungsquelle PETRA III am Beschleunigerzentrum DESY in Hamburg bestimmt.
Dazu nutzten sie zwei Effekte, die auftreten, wenn Röntgenstrahlung auf ein Molekül trifft: Zunächst löst die Röntgenstrahlung mehrere Elektronen aus dem Molekül heraus, die wegfliegen (photoelektrischer Effekt und Auger Effekt). Dadurch werden die Atome so stark geladen, dass das Molekül in einer Explosion zerplatzt (Coulomb-Explosion). Den Wissenschaftlern gelang es, diese Prozesse, die sich innerhalb von Femtosekunden abspielen – Millionstel einer Milliardstel Sekunde –, nacheinander zu vermessen.
Dazu nutzten sie eine Apparatur, die an der Goethe-Universität erfunden und seither immer weiterentwickelt wurde, das COLTRIMS-Reaktionsmikroskop. Auf Basis der Messdaten konnten sie anschliessend die ursprüngliche Geometrie des Ameisensäuremoleküls errechnen. Das Ergebnis: Die beiden Wasserstoffatome der Ameisensäure schwingen minimal hin und her, sodass das Molekül nicht flach ist.
Ein Atomkern hat nur eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit
Reinhard Dörner erklärt: «In der Quantenwelt sind Atomkerne keine winzigen Kugeln, die an ihrem Platz verharren. Sie sind eher wie vibrierende Wolken. Selbst wenn wir ein Molekül bis zum absoluten Nullpunkt abkühlen, hört dieses Zittern – die sogenannte Nullpunktschwingung – niemals auf.»
Die Konsequenz ist radikal: Ein Atomkern hat keinen exakten Ort, sondern nur eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Er ist gewissermassen «überall ein bisschen». Dadurch ist ein Ameisensäure-Molekül in fast jedem Moment faktisch dreidimensional.
Dörner: «Durch diesen winzigen Schritt in die dritte Dimension verliert das Molekül seine Symmetrie, und es lässt sich nicht mehr mit seinem Spiegelbild in Deckung bringen, ähnlich wie das mit unserer linken und rechten Hand ist. Die Ameisensäure ist chiral – sie besitzt in der Hälfte der Zeit eine linkshändige und in der anderen Hälfte eine rechtshändige Form.»
Enantiomere: völlig unterschiedliche Wirkungen
In der Chemie können zwei solche chiralen Formen – sogenannte «Enantiomere» – völlig unterschiedliche Wirkungen haben: Während die eine Form eines Moleküls als Heilmittel wirkt, kann ihr Spiegelbild wirkungslos sein. Normalerweise entsteht diese Händigkeit durch den festen Aufbau eines Moleküls.
Dörner: «Wie wir am Beispiel der Ameisensäure zeigen konnten, kann allein das Quantenzittern aus einem symmetrischen Molekül zwei unterschiedliche spiegelbildliche Realitäten erzeugen. Das bedeutet: Die Händigkeit, eine wichtige Eigenschaft des Lebens, entsteht hier nicht durch den statischen Bauplan des Moleküls, sondern allein durch das unaufhörliche Zittern in der Quantenwelt. Generell konnten wir anhand der Ameisensäure sehen: Geometrie ist keine statische Eigenschaft, sondern ein dynamisches Ereignis, und ein flaches Molekül ist in Wirklichkeit nur der Durchschnittswert eines Zitterns seiner Atome in alle Richtungen.» Die Resultate wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters publiziert.
