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Ein Streichholz zu entzünden, mag kinderleicht sein, dennoch braucht es dazu etwas Übung um das Holz im richtigen Winkel und ausreichend Druck über die Reibefläche zu bewegen. Nur dann kommt es nämlich zu den Wechselwirkungen, die Bindungen entstehen lassen oder zerstören und die chemische Entzündungsreaktion auslösen. Kollisionen von Atomen und Molekülen sind grundlegend für die Bindungsbildung und somit Schlüssel zu jeder chemischen Reaktion, "diese Prozesse zu verstehen und die relevantesten Faktoren zu steuern, ist eine der fundamentalsten Fragen der Chemie", betonte der Grazer Nano-Forscher Leonhard Grill vom Institut für Chemie der Universität Graz per Aussendung.
Grill und seine Kollegen aus Prag, Olmütz und Berlin wollen herausfinden, wie die genaue Ausrichtung und der Anfahrtswinkel der Moleküle das Ergebnis der Kollision beeinflussen, indem sie Moleküle zum Crash-Test schicken. Und dabei sind sie ein ganzes Stück weitergekommen. Die Ergebnisse ihrer letzten Studie haben die Wissenschafter soeben im Journal "Science" veröffentlicht.
Das Team hat die Kollision von Molekülen auf einer Kupferoberfläche untersucht. Sie haben mithilfe eines Rastertunnelmikroskops einzelne Moleküle zusammenstoßen lassen. Dazu haben sie die Position und Ausrichtung der Zielmoleküle exakt eingestellt und variiert und dann den Ausgang jeder einzelnen Kollision verfolgt. Damit konnten die Wissenschafter direkt beobachten, wie gravierend das Ergebnis einer chemischen Reaktion davon abhängt, in welchem Winkel zwei einzelne Moleküle aufeinandertreffen.
"Wir beobachteten, dass die Moleküle in einem engen Reaktionskegel kollidieren müssen", fassten die Autoren der Studie zusammen. Der "Reaktionskegel" beschreibt den schmalen Winkelbereich, in dem zwei Moleküle aufeinandertreffen müssen, damit eine chemische Reaktion tatsächlich stattfindet. Schon kleine Abweichungen führen dazu, dass keine Reaktion stattfinden kann. Es hat sich herausgestellt, dass erfolgreiche Reaktionen ausschließlich dann stattfinden, wenn sich die Teilchen an einer speziellen Stelle berühren, nämlich beim reaktivsten Atom des "Ziel"-Moleküls.
"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 und damit das Ergebnis der Reaktionen", resümierte Grill. Das Wissen um den Reaktionskegel hilft, chemische Reaktionen gezielt zu steuern - zum Beispiel beim Bau neuer Materialien oder winziger Maschinen auf atomarer Ebene. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass sogar einzelne Atome auf der Oberfläche helfen können, eine Reaktion möglich zu machen - selbst wenn die Ausgangslage eigentlich ungünstig ist.
(S E R V I C E - M. Timm, A. Matěj, I. Gazizullin, L. Grill et al.: "Spatially resolving the cone of reaction for a single molecule", Science, DOI: 10.1126/science.aec7913)
++ THEMENBILD ++ Illustration zum Thema "Blackout"; fotografiert am Mittwoch, 13. Jänner 2021, in Wien. Im Bild: Eine Frau zündet ein Streichholz an.
