Quantentunneln der Kohlensäure

  • 21. June 2016

Konformatives Tunneln ist ein weit verbreitetes, umwelt­ab­hängiges Phänomen.

Quantentunneln erlaubt die Umwandlung eines Moleküls in ein anderes, in dem es durch statt über eine Energie­barriere reagiert. Wie ein Forscher­team der Uni Gießen und der Uni­versity of Georgia jetzt zeigen konnte, tritt Quanten­tunneln ständig in kohlen­säure­haltigen Getränken auf. Das für die prickelnde Erfrischung verant­wortliche Molekül – gas­förmiges Kohlen­di­oxid – bildet sich aus der schnellen Zersetzung der in diesen Getränken enthal­tenen Kohlen­säure. Sehr lange war man sich in der Wissen­schaft nicht einig, ob es Kohlen­säure in der Gas­phase über­haupt gibt oder ob sie sich nicht extrem schnell in Kohlen­di­oxid und Wasser zersetzt. Erste Hinweise auf die Gas­phasen­stabi­lität der Kohlen­säure gab es 1987, die end­gültige Bestä­tigung erfolgte aber erst im Jahr 2009.

Die Arbeitsgruppe von Peter Schreiner an der Uni Gießen hat unlängst einen neuen synthe­tischen Zugang zur gas­förmigen Kohlen­säure eröffnet und diese unter sehr kalten Bedin­gungen ein­gehend unter­sucht. Die Unter­suchungen erfolgten bei Tempe­ra­turen nahe dem abso­luten Null­punkt und damit unter Bedin­gungen, wie man sie auch im Welt­raum findet. Dabei fanden die Wissen­schaftler zwei geo­me­trische Isomere, deren gegen­seitige Umwandlung über einen gewissen Zeit­raum genau nach­ver­folgt werden konnte.

Es stellte sich heraus, dass das energetisch höher liegende Konformer sich in wenigen Stunden – abhängig von der exakten Tempe­ratur und dem umge­benden Material – in das ener­getisch tiefer liegende Konformer umwandelt, obwohl hierfür nicht aus­reichend Energie zur Verfügung steht. Quali­tativ sehr hoch­wertige Berech­nungen der Arbeits­gruppe von Wesley Allen an der Uni­versity of Georgia zeigen, dass es sich hier um einen quanten­mecha­nischen Tunnel­prozess handeln muss.

Die komplexen Zerfalls- und Umwandlungsmechanismen wurden dabei mittels mathe­ma­tischer Modelle, wie sie für das Domino-Tunneln entwickelt wurden, beschrieben. Die neue Analyse der Kohlen­säure zeigt, dass konfor­matives Tunneln ein weit verbrei­tetes Phänomen ist, das empfind­lich von der Umge­bung abhängt und damit auch von außen kontrol­liert werden kann. In der Weiter­ent­wicklung solcher Studien können sich also neue Möglich­keiten zur Kontrolle von Selek­ti­vi­täten chemischer Reaktionen eröffnen.

JLU / RK

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