Preisträger

Erkenntnis durch Zerfall

Interatomic Coulombic Decay – die subtile Seite der Coulomb-Wechselwirkung

  • Till Jahnke
  • 09 / 2014 Seite: 55

Die Coulomb-Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen ist altbekannt und scheint bestens erforscht. Jedoch offenbart sie bei genauerer Betrachtung subtile Effekte, die gerade in Prozessen mit komplexen Makromolekülen eine entscheidende Rolle spielen. Um die zugrundeliegenden Aspekte der langreichweitigen Coulomb-Wechselwirkung besser zu verstehen, bietet sich die Vermessung des „interatomaren Coulomb-Zerfalls“ an.

Die elektromagnetische Wechselwirkung gilt eher als der „Langweiler“ unter den vier Grundkräften der Physik. Die Grundlagen von Elektrostatik und Magnetismus lernt man bereits in der Schule, und auch ansonsten scheint diese Grundkraft in weitesten Zügen durch die Maxwell-Gleichungen und die Quantenelektrodynamik verstanden zu sein. Das gilt auch für die Coulomb-Wechselwirkung: Wirklich dramatische Abweichungen zwischen Experimenten und Vorhersagen finden sich nur in extremen Fällen, etwa bei schweren, hochgeladenen Ionen. Dies ist insofern erfreulich, als die Coulomb-Wechselwirkung für unseren Alltag eine entscheidende Rolle spielt. Sie bestimmt zum Beispiel, in welcher Form sich Atome zu Molekülen zusammenfinden und eine Bindung eingehen.

Für Makromoleküle und somit auch für die Bio­logie beinhaltet dieser Aspekt der Erzeugung von kovalenten Bindungen allerdings nur einen überraschend kleinen Teil der Auswirkungen der Coulomb-Wechselwirkung. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich eine Vielzahl von sehr feinen, aber folgenschweren Effekten, die sich aus ihrer langen Reichweite ergeben: Atome und Moleküle können auch über sehr große Distanzen polarisiert werden. Eine offensichtliche Auswirkung einer solchen Polarisation ist z. B. die Van-der-Waals-Bindung: Dabei gehen mehrere Atome, die keine Elektronen in Form von Orbitalen teilen können, durch gegenseitige Polarisation eine sehr schwache Bindung ein. Sie ist etwa nur ein Tausendstel so stark wie eine kovalente Bindung. Die Vermutung, dass damit auch die Auswirkung dieser schwachen Beiträge minimal ist, ist allerdings trügerisch. Gerade diese schwachen Beiträge geben komplexen molekularen Systemen wie DNA und RNA ihre Gestalt – durch Wechselwirkung innerhalb des Moleküls, aber auch mit der Umgebung. Die Interaktion von Biomolekülen über diese Beiträge ist im Mikroskopischen entscheidend für Informationsaustausch, Reproduktion und Stoffwechsel. (...)

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