Uni Graz: Reaktionskegel bei Molekül-Kollisionen vermessen

Forschende der Universität Graz lassen Moleküle gezielt miteinander kollidieren und beobachten, was dabei passiert - ganz ähnlich wie Ingenieure beim Crash-Test in der Fahrzeugsicherheit, jedoch auf atomarer Ebene. Das Ergebnis ihrer aktuellen Studie ist ein wissenschaftlicher Durchbruch: Erstmals gelang es, den sogenannten Reaktionskegel für eine chemische Reaktion experimentell zu vermessen und damit zu belegen, unter welchen genauen geometrischen Bedingungen zwei Moleküle überhaupt miteinander reagieren können.

Der Reaktionskegel: Ein schmales Zeitfenster im Raum

Der Reaktionskegel beschreibt jenen engen Winkelbereich, in dem zwei Moleküle aufeinandertreffen müssen, damit eine chemische Reaktion tatsächlich stattfindet. Bereits kleine Abweichungen von diesem Winkel genügen, damit die Teilchen aneinander vorbeiziehen, ohne eine Verbindung einzugehen. Wie die Studie zeigt, finden erfolgreiche Reaktionen ausschließlich dann statt, wenn sich die kollidierenden Teilchen an einer ganz bestimmten Stelle berühren - beim reaktivsten Atom des sogenannten Zielmoleküls.

Univ.-Prof. Leonhard Grill vom Institut für Chemie der Universität Graz fasst die Bedeutung der Arbeit zusammen: „Wir konnten in unserer Studie zum ersten Mal überhaupt den sogenannten Reaktionskegel für eine chemische Reaktion vermessen. Durch diesen bisher fehlenden Puzzlestein verstehen wir nun die relevanten Faktoren einer Kollision." Grill betont zudem den grundlegenden Charakter der Fragestellung: „Diese Prozesse zu verstehen und die relevantesten Faktoren zu steuern, ist eine der fundamentalsten Fragen der Chemie."

Internationale Kooperation und neue Methoden

Grill und sein Team arbeiten für diese Studie mit Forschungsgruppen aus Prag, Olmütz und Berlin zusammen. Im Mittelpunkt der Methodik steht die Rastertunnelmikroskopie, mit der einzelne Moleküle auf Oberflächen abgebildet, charakterisiert und gezielt manipuliert werden können. Diese Technik erlaubt es, Ausrichtung und Anfahrtswinkel der Teilchen präzise zu steuern und so den Einfluss dieser Faktoren auf das Reaktionsergebnis systematisch zu untersuchen.

Die Frage, welche geometrischen Voraussetzungen eine chemische Reaktion erst ermöglichen, beschäftigt die Wissenschaft seit Jahrzehnten. Mit dem nun erbrachten experimentellen Nachweis des Reaktionskegels liefert das Grazer Team den lange fehlenden Beleg für ein theoretisch schon länger diskutiertes Konzept.

Bedeutung für Graz und den Technologiestandort Steiermark

Leonhard Grill ist seit 2013 ordentlicher Professor für Physikalische Chemie an der Universität Graz und hat dort eine eigene Nano-Forschungsgruppe aufgebaut. Mit dieser Arbeit positioniert sich die Karl-Franzens-Universität Graz international als Vorreiterin im Bereich der Einzelmolekül-Chemie. Die Erkenntnisse sind dabei keineswegs nur theoretischer Natur: Das Wissen um den Reaktionskegel eröffnet neue Möglichkeiten, chemische Reaktionen gezielt zu steuern - etwa beim Bau neuartiger Materialien oder winziger Maschinen auf atomarer Ebene. Für den steirischen Technologie- und Forschungsstandort bedeutet das eine weitere Stärkung seiner Stellung in der internationalen Grundlagenforschung.

Kollisionen zwischen Atomen und Molekülen sind die Grundlage jeder Bindungsbildung und damit jeder chemischen Reaktion. Dass nun erstmals der räumliche Rahmen dieser Prozesse quantitativ erfasst werden konnte, gilt in der Fachwelt als bedeutender Schritt für das Verständnis chemischer Reaktivität auf kleinster Ebene.