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Ka­ta­ly­sa­to­ren sind Stof­fe, die eine che­mi­sche Re­ak­ti­on be­schleu­ni­gen oder über­haupt erst er­mög­li­chen, selbst dabei je­doch un­ver­än­dert blei­ben. Sie sind in zahl­rei­chen in­dus­tri­el­len Pro­zes­sen un­ver­zicht­bar, von der Um­welt­tech­nik, über die Her­stel­lung von Kraft­stof­fen bis zur Pro­duk­ti­on von Dün­ger für die Land­wirt­schaft. Die Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler konn­ten nun erst­mals einen Über­gangs­zu­stand nach­wei­sen, in dem die Mo­le­kü­le kurz­zei­tig über dem Ka­ta­ly­sa­tor schwe­ben, bevor sie end­gül­tig da­von­flie­gen.

Ver­har­ren im Über­gangs­zu­stand

Die For­scher un­ter­such­ten am Rönt­gen­la­ser LCLS (Linac Co­he­rent Light Sour­ce) des US-​Be­schleu­nig­er­zen­trums SLAC Na­tio­nal Ac­ce­le­ra­tor La­bo­rato­ry in Ka­li­for­ni­en die An­la­ge­rung von Koh­len­mon­oxid an eine Ka­ta­ly­sa­to­rober­flä­che aus dem Me­tall Ru­the­ni­um. Dabei konn­ten sie de­tail­liert ver­fol­gen, wie die Koh­len­mon­oxid-​Mo­le­kü­le sich von der Ru­the­ni­um-​Ober­flä­che lösen.

„Das Mo­le­kül fliegt nicht ein­fach davon. Es ver­harrt einen Mo­ment in einem schwach ge­bun­de­nen Über­gangs­zu­stand über der Ober­flä­che, in dem es immer noch mit ihr wech­sel­wir­ken kann“, be­rich­tet Er­st­au­to­rin Dell´An­ge­la, Wis­sen­schaft­le­rin an der Uni­ver­si­tät Ham­burg. „Das ist bei­spiels­wei­se wich­tig um zu ver­ste­hen, wie neue Mo­le­kü­le einen Platz auf einer be­reits fast voll be­setz­ten Ka­ta­ly­sa­to­rober­flä­che fin­den kön­nen.“

„Die­ser kurz­le­bi­ge Über­gangs­zu­stand war be­reits vor mehr als einem hal­ben Jahr­hun­dert pos­tu­liert wor­den. Zum ers­ten Mal ließ er sich jetzt tat­säch­lich be­ob­ach­ten“, er­läu­tert Co-​Au­tor Wurth, Spre­cher der Ad­van­ced Study Group der Uni­ver­si­tät Ham­burg am CFEL. „Wir haben über­haupt nicht er­war­tet, die­sen Zu­stand zu sehen. Das war eine Über­ra­schung“, er­gänzt Co-​Au­tor An­ders Nils­son, Vi­ze­di­rek­tor des Zen­trums für Grenz­flä­chen­for­schung und Ka­ta­ly­se von SLAC und der Uni­ver­si­tät Stan­ford. Die For­sche­rin­nen und For­scher stell­ten unter an­de­rem fest, dass über­ra­schend viele Mo­le­kü­le für un­er­war­tet lange Zeit in die­sem Zu­stand ver­har­ren.

An der ak­tu­el­len Stu­die waren neben For­schern von SLAC und dem CFEL Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler des Helm­holtz-​Zen­trums Ber­lin, der Uni­ver­si­tä­ten Pots­dam, Stan­ford und Stock­holm, der Dä­ni­schen Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät und des Fritz-​Ha­ber-​In­sti­tuts der Max-​Planck-​Ge­sell­schaft be­tei­ligt.

Mög­lich­keit zur Er­for­schung kom­ple­xe­rer Re­ak­tio­nen

Wurth zu­fol­ge ist die Be­ob­ach­tung der Koh­len­mon­oxid-​Des­orp­ti­on an Ru­the­ni­um ein wich­ti­ger ers­ter Schritt in die Er­kun­dung der ul­tra­schnel­len Dy­na­mik von Ober­flä­chen­re­ak­tio­nen – auch, wenn bis zur Ver­fol­gung einer voll­stän­di­gen ka­ta­ly­ti­schen Re­ak­ti­on auf einem groß­tech­nisch ver­wen­de­ten Ka­ta­ly­sa­tor mit einem Rönt­gen­la­ser noch ex­pe­ri­men­tel­le Ent­wick­lungs­ar­beit nötig ist.

„Wir haben mit die­ser Un­ter­su­chung ge­zeigt, dass die Be­ob­ach­tung die­ser Pro­zes­se mit Rönt­gen­la­sern mög­lich ist“, be­tont Wurth, „das er­öff­net auch die Mög­lich­keit, we­sent­lich kom­ple­xe­re Re­ak­tio­nen zu un­ter­su­chen.“ Die Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler gehen davon aus, dass sol­che Un­ter­su­chun­gen zahl­rei­che Über­ra­schun­gen zu­ta­ge för­dern. „Eine Re­ak­ti­on wie diese in Echt­zeit zu be­ob­ach­ten, ist der Traum eines Che­mi­kers“, be­tont Nils­son, „es ist wirk­lich ein Sprung ins Un­be­kann­te.“