Mittwoch, 3. Juli 2013
Quantenchemie: 'Unmögliche' Moleküle im All
klauslange,16:17h
In der Kälte des Alls dürften sich eigentlich einige chemische Verbindungen gar nicht bilden. Dennoch werden sie von Teleskopen in Gebiete nachgewiesen, die keine geeignete Wärmequelle besitzen, um die Energie für chemische Reaktionen zu liefern. Mit anderen Worten: Bestimmte Moleküle dürfte es im All nicht geben.
Es gibt sie aber und verantwortlich dafür ist die sogenannte Quantechemie. Mittels Tunneleffekte können Reaktionen die Energiebarriere passieren und so in der klassisch zu kalten Umgebung die ansonsten 'unmöglichen' Molekülverbindungen bilden, wie welt der physik berichtet:
„Ein grundlegendes Gesetz der Chemie besagt, dass chemische Reaktionen mit abnehmender Temperatur immer langsamer ablaufen“, erklärt Teamleiter Dwayne Heard von der University of Leeds. Die Entdeckung komplexer organischer Moleküle im Weltall stellte die Astrophysiker deshalb vor ein Problem: Wie können diese Substanzen bei den extrem niedrigen Temperaturen entstehen? Die Lösung ist kosmischer Staub. Moleküle, so die Überlegung, docken an die Oberfläche winziger Staubkörnchen an und bleiben dort lange genug haften, um mit benachbarten Molekülen trotz niedriger Temperaturen zu reagieren.
Für viele der entdeckten Stoffe funktioniert dieses Szenario, wie Laborexperimente zeigen. Doch im vergangenen Jahr entdeckten Astronomen in der 600 Lichtjahre entfernten Perseus-Molekülwolke das aus einem Sauerstoff-, einem Kohlenstoff- und drei Wasserstoff-Atomen bestehende Radikal Methoxy. Die Forscher fanden keinen Weg, Methoxy an der Oberfläche eines Staubkorns zu produzieren. Methoxy könnte jedoch aus Methanol und Hydroxyl entstehen, zwei Molekülen, die im All häufig vorkommen. Doch woher sollten die Moleküle im kalten Weltall die Energie nehmen, ihre abstoßende Barriere zu überwinden?
„Die Antwort liegt in der Quantenmechanik“, so Heard. „In der Quantenwelt ist es möglich, eine Barriere nicht zu überwinden, sondern durch sie hindurch zu tunneln.“ Bei normalen Raumtemperaturen tritt dieser Effekt nicht auf, da die Moleküle sich zu schnell bewegen. „Bei niedrigen Temperaturen dagegen bleiben sie lange genug nahe beieinander, um den Tunneleffekt zu ermöglichen.“ Heard und seinen Kollegen gelang es, die Reaktion im Labor bei einer Temperatur von minus 210 Grad Celsius nachzuweisen. Das ist eine Temperatur, die durchaus typisch für Molekülwolken im All ist. Das Team will nun auch die Reaktionen anderer Stoffe unter diesen Bedingungen mit besonderem Blick auf den Tunneleffekt untersuchen.
Es gibt sie aber und verantwortlich dafür ist die sogenannte Quantechemie. Mittels Tunneleffekte können Reaktionen die Energiebarriere passieren und so in der klassisch zu kalten Umgebung die ansonsten 'unmöglichen' Molekülverbindungen bilden, wie welt der physik berichtet:
„Ein grundlegendes Gesetz der Chemie besagt, dass chemische Reaktionen mit abnehmender Temperatur immer langsamer ablaufen“, erklärt Teamleiter Dwayne Heard von der University of Leeds. Die Entdeckung komplexer organischer Moleküle im Weltall stellte die Astrophysiker deshalb vor ein Problem: Wie können diese Substanzen bei den extrem niedrigen Temperaturen entstehen? Die Lösung ist kosmischer Staub. Moleküle, so die Überlegung, docken an die Oberfläche winziger Staubkörnchen an und bleiben dort lange genug haften, um mit benachbarten Molekülen trotz niedriger Temperaturen zu reagieren.
Für viele der entdeckten Stoffe funktioniert dieses Szenario, wie Laborexperimente zeigen. Doch im vergangenen Jahr entdeckten Astronomen in der 600 Lichtjahre entfernten Perseus-Molekülwolke das aus einem Sauerstoff-, einem Kohlenstoff- und drei Wasserstoff-Atomen bestehende Radikal Methoxy. Die Forscher fanden keinen Weg, Methoxy an der Oberfläche eines Staubkorns zu produzieren. Methoxy könnte jedoch aus Methanol und Hydroxyl entstehen, zwei Molekülen, die im All häufig vorkommen. Doch woher sollten die Moleküle im kalten Weltall die Energie nehmen, ihre abstoßende Barriere zu überwinden?
„Die Antwort liegt in der Quantenmechanik“, so Heard. „In der Quantenwelt ist es möglich, eine Barriere nicht zu überwinden, sondern durch sie hindurch zu tunneln.“ Bei normalen Raumtemperaturen tritt dieser Effekt nicht auf, da die Moleküle sich zu schnell bewegen. „Bei niedrigen Temperaturen dagegen bleiben sie lange genug nahe beieinander, um den Tunneleffekt zu ermöglichen.“ Heard und seinen Kollegen gelang es, die Reaktion im Labor bei einer Temperatur von minus 210 Grad Celsius nachzuweisen. Das ist eine Temperatur, die durchaus typisch für Molekülwolken im All ist. Das Team will nun auch die Reaktionen anderer Stoffe unter diesen Bedingungen mit besonderem Blick auf den Tunneleffekt untersuchen.
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