HAMBURG / LONDON (IT BOLTWISE) – Forschende am European XFEL haben mithilfe eines Röntgenlasers neue Erkenntnisse über ultraschnelle chemische Reaktionen gewonnen. Durch die zeitaufgelöste Röntgen-Photoelektronenspektroskopie konnten sie die dynamischen Prozesse in zerfallenden Molekülen wie Fluormethan detailliert beobachten. Diese Erkenntnisse könnten die Steuerung und Kontrolle photochemischer Reaktionen revolutionieren.
In der Welt der Chemie spielen extrem kurzlebige Übergangszustände eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Verlaufs chemischer Reaktionen. Diese Zustände, die oft nur Femtosekunden bis Pikosekunden andauern, sind schwer zu beobachten, da sie blitzschnelle Umlagerungen von Bindungen und Ladungen beinhalten. Ein Forschungsteam am European XFEL hat nun einen bedeutenden Fortschritt erzielt, indem es diese Prozesse mithilfe der zeitaufgelösten Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (tr-XPS) sichtbar machte.
Das Team konzentrierte sich auf das Molekül Fluormethan (CH3F) und untersuchte, wie sich Ladungen und Atomzustände nach dem Herausschlagen eines Elektrons verschieben. Durch die Ionisierung des Moleküls kam es zu Umlagerungen von Bindungen und Ladungen, die mit einer Gesamtzeitauflösung von etwa 35 Femtosekunden verfolgt werden konnten. Diese Beobachtungen zeigten, dass Fluormethan über verschiedene Reaktionswege mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zerfallen kann.
Ein schneller Reaktionsweg führte zur Spaltung der C–F-Bindung, wodurch ein CH3+-Fragment und ein freies Fluoratom entstanden. Ein langsamerer Weg führte zur Spaltung der C–H-Bindung, was CH2F+ und ein neutrales Wasserstoffatom zur Folge hatte. Diese Erkenntnisse sind nicht nur für das Verständnis von Molekülverhalten in der Erdatmosphäre von Bedeutung, sondern auch für die Steuerung photochemischer Reaktionen in komplexen Biomolekülen.
Die Forschungsergebnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf die chemische Industrie haben, indem sie die Entwicklung neuer Methoden zur Kontrolle von Reaktionswegen ermöglichen. Zudem zeigt das Experiment, dass ein einfaches theoretisches Modell, das Teilladungsmodell, auf dynamische Systeme erweitert werden kann, was die Analyse von Daten aus ultraschneller XPS in größeren, komplexeren Systemen erheblich vereinfacht.
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