Ziemlich lahm

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Schwingungen breiten sich in Molekülen ziemlich lahm aus: Sie schaffen nur schlappe Mach 1.

"Wer Chemie in ihren Grundlagen begreifen will, der muss die Übertragung von Schwingungsenergie verstehen." Dana Dlott hat hohe Ansprüche. Seit Jahren beschäftigt sich der Chemiker von der University of Illinois mit Energieübertragung in Molekülen. In der Tat gehört der Transport von Schwingungsenergien innerhalb und zwischen Molekülen zu den grundlegenden Prozessen in der Chemie, werden doch dadurch chemische Reaktionen in flüssigen Medien ermöglicht. Doch leider gehört dieser Prozess zu denjenigen, so bedauert Dlott, "von denen wir am wenigsten wissen".

Um diesen Zustand zu ändern, versuchte Dlott zusammen mit seinen Mitarbeitern Zhaohui Wang und Andrei Pakoulev die Energieübertragung unmittelbar an Molekülen mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Spektroskopie zu messen. Dazu regten sie die OH-Gruppen verschiedener Alkohole mit einem Infrarotlaser zu Schwingungen an und beobachteten mit einem zweiten Laser, wann die Schwingung die endständige Methylgruppe des Alkohols erreichte. Da die Länge der Molekülkette der eingesetzten Alkohole von Ethanol über Propanol bis Butanol jeweils um eine C-C-Bindung zunahm, konnten die Wissenschaftler die Geschwindigkeit, mit der Schwingungen durch das Molekül rasten, unmittelbar messen.

Und das Ergebnis überraschte: Die Übertragung benötigte für die 0,15 Nanometer lange Strecke einer C-C-Bindung etwa 400 Femtosekunden; sie hatte demnach eine Geschwindigkeit von "nur" 375 Meter pro Sekunde. Damit liegt sie knapp über der Geschwindigkeit, mit der sich Schall in der Luft ausbreitet – in Ethanol ist Schall jedoch dreimal so schnell.

"Die Effektivität ist niedrig: Nur etwa ein Prozent der Energie wird zur Methylgruppe übertragen", erklärt Dlott. "Wenn Sie dagegen mit einem Hammer auf einen Metallstab schlagen, wandert nahezu die gesamte Schwingungsenergie zum anderen Ende."

Mit ihrer Methode hoffen die Forscher, Energieübertragungen bei chemischen Prozessen besser verstehen zu können. "Wenn Sie beobachten, wie Menschen einen Raum verlassen, wissen Sie nicht, ob die Leute nach Hause gehen oder irgendwo anders hin", beschreibt Dlott sein Anliegen. "Mit unserer verbesserten Schwingungsspektroskopie können wir sehen, wohin die Energie geht."