Gesundheit : Der Chemie-Nobelpreis geht an den aus Ägypten gebürtigen Ahmed Zewail

Gideon Heimann

Wenn sich jemand mit dem millionstel Teil einer milliardstel Sekunde beschäftigt, dann lebt er wirklich in Eile. Aber Ahmed H. Zewail wird sich die Zeit nehmen müssen, den diesjährigen Nobelpreis in Chemie entgegenzunehmen, das gehört sich so. Der 53-jährige Professor ägyptischer Herkunft arbeitet am am California Institute of Technology in Pasadena, er hat sich mit sehr schnellen Übergangszuständen bei Molekülreaktionen befasst und sie mit der Femtosekundenspektroskopie sichtbar gemacht.

In der Chemie gibt es Reaktionen, die länger dauern - ein Auto wird ja auch nicht in Sekunden vom Rost zerfressen. Aber es kann auch zu schlagartigen Umsetzungen verschiedener Stoffe kommen, ein ganz gutes Beispiel dafür hat der Gründer des Wissenschaftspreises, Alfred Nobel, mit dem Dynamit geliefert. Wie funktioniert das? Bisher hatten die Wissenschaftler nur angenommen, Moleküle müssten zunächst "aktiviert" werden, damit sie überhaupt reagieren. Darauf kamen sie, weil viele Reaktionen mit steigender Temperatur schneller ablaufen. Wärme, das ist ja eigentlich auch nichts anderes als die Bewegung von Molekülen.

Die Erfahrung der Chemiker lehrt also, dass Moleküle in kalter Umgebung nur gegeneinander stoßen wie Auto-Scooter auf dem Rummel - es passiert eigentlich nichts. Erst wenn die Temperatur hoch genug ist - oberhalb einer angenommenen Grenze, die je nach Substanz sehr unterschiedlich sein kann - reagieren die Moleküle miteinander, sie bilden neue Verbindungen. Diese Grenzregion wird von den Kräften bestimmt, die die Atome der Ausgangssubstanzen im Molekülverbund halten - letztlich fast so, wie die Gravitation den Mond an die Erde bindet.

Seit der Jahrhundertwende hatten die Chemiker eine einfache Formel für die Reaktionsgeschwindigkeit - eben als Funktion der Temperatur. Erst in den 30er Jahren wurden Theorien erarbeitet, wonach die Moleküle sehr kurzzeitige Übergangszustände einnehmen. Dass man diese einmal "fotografieren" könnte, daran wagte damals natürlich noch niemand zu glauben.

Dies galt, bis der Laser so schnell war, dass seine Strahlen sich ebenso flink bewegen wie die Moleküle schwingen - im Zeitbereich von zehn bis 100 Femtosekunden also. Mit solchen Lichtblitzen können die Bewegungen abgebildet und eine Vielzahl von Rückschlüssen auf den Ablauf chemischer Reaktionen gezogen werden.

In der Praxis wird das Molekülgemisch mit zwei Laser-Pulsen bearbeitet, der erste (Pump-Puls) soll nur die notwendige Reaktionsenergie hineinschießen. Der Probe-Puls, der gleich darauf folgt, lässt erkennen, was innerhalb des Moleküls geschieht, in dem Moment, da es vom Pump-Puls angeregt ist, und danach - in dem Moment also, da das "Gummiband" des Molekülverbandes bis zum Zerreißen gespannt ist, und danach, wenn es "Schnapp" gemacht hat. Diesen Ablauf untersuchte Zewail zunächst an Jodcyanid, dann an Natriumjodid. Im Gleichgewichtszustand sind die Atome des Natriumjodids 2,8 Angström (ein Angström ist ein zehn millionstel Millimeter) voneinander entfernt. Wenn sie sich bei der angeregten Schwingung auf 6,9 Angström voneinander entfernt haben, ist die Wahrscheinlichkeit noch gleich groß, dass sie zusammenbleiben oder auseinanderfliegen, danach nehmen die Trennungs-"Absichten" überhand, bei zehn bis 15 Angström ist nichts mehr zu kitten.

Interessant sind solche Untersuchungsmöglichkeiten für eine Vielzahl von chemischen Prozessen, etwa beim Zerlegen von Cyclobutan zu Äthylen. Hier konnte nachgewiesen werden, dass erst die eine Verbindung des Vierer-Kohlenstoff-Atom-Rings knackt, dann die andere, bis zwei Äthylenmoleküle (mit ihren Doppelbindungen unter den Kohlenstoff-Atomen) übrig bleiben.

Aber es geht nicht nur um das Zerlegen von Verbindungen, sondern auch um den Wandel von Molekülstrukturen. Isomere haben zwar die gleiche Summenformel, unterscheiden sich aber in der Struktur. Unterschiedliche Strukturen können aber auch die Grundlage für ein anderes chemisches Verhalten bilden. Bei Retinal ist das zum Beispiel sehr wichtig, denn ohne den Farbstoff in den Stäbchen der Augen könnten wir nicht sehen. Die Isomer-Wandlung wird innerhalb von 200 Femtosekunden durch wenige Photonen ausgelöst.

Für Zewail - in Pasadena übrigens Chemie- und Physikprofessor, verheiratet mit einer Ärztin und Vater von vier Kindern - ist der Nobelpreis nur noch das Sahnehäubchen auf einer höchst umfangreichen Reihe von Auszeichnungen. Von vielen europäischen und amerikanischen Universitäten erhielt er die Ehren-Professor-Würde, Wissenschaftspreise sammelt er wie andere Leute Briefmarken - à propos: sein Konterfei ziert seit 1998 selbst eine, in Ägypten.

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