12.03.2013

Röntgenlaser ermöglicht Forschern Live-Aufnahmen chemischer Reaktionen

Ein internationales Team um Hamburger Forscher hat mit dem weltstärksten Röntgenlaser einen Katalysator auf Molekülebene in Aktion beobachtet. Die Untersuchung zeigt überraschende Details einer chemischen Reaktion und eröffnet die Möglichkeit, diese ultraschnellen Vorgänge live zu verfolgen. Erstmals wiesen die Wissenschaftler direkt einen Übergangszustand nach, in dem die Moleküle kurzzeitig über dem Katalysator schweben, bevor sie endgültig davonfliegen. Die Untersuchungsmethode bringt neue Einblicke in die Welt der Oberflächenchemie und kann zur Verbesserung einer Vielzahl von Katalysatoren beitragen. Die Gruppe um Martina Dell´Angela und Wilfried Wurth von der Advanced Study Group der Universität Hamburg im Center for Free-Electron Laser Science CFEL stellt ihre Arbeit im Fachjournal „Science“ vor.

Die Experimente am Freie-Elektronen-Laser LCLS in Kalifornien zeigten in Echtzeit, wie Kohlenmonoxid-Moleküle an der Oberfläche eines Katalysators reagieren. (Bild: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)

Katalysatoren sind Stoffe, die eine chemische Reaktion beschleunigen oder überhaupt erst ermöglichen, selbst dabei jedoch unverändert bleiben. Sie sind in zahlreichen industriellen Prozessen unverzichtbar, von der Umwelttechnik, über die Herstellung von Kraftstoffen bis zur Produktion von Dünger für die Landwirtschaft. Das wohl bekannteste Beispiel ist der Abgaskatalysator im Auto: Er besteht unter anderem aus dem Edelmetall Platin, das auf seiner Oberfläche die Umwandlung von Kohlenmonoxid (CO) in Kohlendioxid (CO₂) ermöglicht.

Die Forscher untersuchten am Röntgenlaser LCLS (Linac Coherent Light Source) des US-Beschleunigerzentrums SLAC in Kalifornien die Anlagerung von Kohlenmonoxid an eine Katalysatoroberfläche aus dem Metall Ruthenium. Dabei konnten sie detailliert verfolgen, wie die Kohlenmonoxidmoleküle sich von der Rutheniumoberfläche lösen. „Das Molekül fliegt nicht einfach davon. Es verharrt einen Moment in einem schwach gebundenen Übergangszustand über der Oberfläche, in dem es immer noch mit ihr wechselwirken kann“, berichtet Erstautorin Dell´Angela von der Universität Hamburg. „Das ist beispielsweise wichtig um zu verstehen, wie neue Moleküle einen Platz auf einer bereits fast voll besetzten Katalysatoroberfläche finden können.“

„Dieser kurzlebige Übergangszustand war bereits vor mehr als einem halben Jahrhundert postuliert worden. Zum ersten Mal ließ er sich jetzt tatsächlich beobachten“, erläutert Ko-Autor Wurth, Sprecher der Advanced Study Group der Universität Hamburg am CFEL. „Wir haben überhaupt nicht erwartet, diesen Zustand zu sehen. Das war eine Überraschung“, ergänzt Ko-Autor Anders Nilsson, Vizedirektor des Zentrums für Grenzflächenforschung und Katalyse von SLAC und der Universität Stanford. Die Forscher stellten unter anderem fest, dass überraschend viele Moleküle für unerwartet lange Zeit in diesem Zustand verharren.

Obwohl bis zur Verfolgung einer vollständigen katalytischen Reaktion auf einem großtechnisch verwendeten Katalysator mit einem Röntgenlaser noch experimentelle Entwicklungsarbeit nötig ist, ist die Beobachtung der Kohlenmonoxid-Desorption an Ruthenium Wurth zufolge ein wichtiger erster Schritt in die Erkundung der ultraschnellen Dynamik von Oberflächenreaktionen. „Wir haben mit dieser Untersuchung gezeigt, dass die Beobachtung dieser Prozesse mit Röntgenlasern möglich ist“, betont Wurth. „Das eröffnet auch die Möglichkeit, wesentlich komplexere Reaktionen zu untersuchen.“ Die Forscher gehen davon aus, dass solche Untersuchungen zahlreiche Überraschungen zutage fördern. „Eine Reaktion wie diese in Echtzeit zu beobachten, ist der Traum eines Chemikers“, betont Nilsson. „Es ist wirklich ein Sprung ins Unbekannte.“

Arbeiten wie diese sind auch im Fokus des Hamburger Exzellenzclusters Center for Ultrafast Imaging (CUI), an dem neben der Universität Hamburg DESY, die Max-Planck Gesellschaft, die European XFEL GmbH und das European Molecular Biology Laboratory (EMBL) beteiligt sind. Für diese Arbeiten sind Röntgenquellen wie der Europäische Röntgenlaser European XFEL essentiell, dessen Hauptgesellschafter DESY ist. Nach seiner Fertigstellung in Hamburg wird er das weltbeste Instrument seiner Art sein.

An der Studie waren neben Forschern von SLAC und dem CFEL Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Berlin, der Universitäten Potsdam, Stanford und Stockholm, der Dänischen Technischen Universität und des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft beteiligt.