Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Tröpfchen für Tröpfchen kosmische Chemie simulieren

27.03.2019

Krasnokutskiy / MPIA

Schematische Darstellung der neuen Metho Zwei Ausgangsstoffe R1 und R2 werden auf ein Heliumtröpfchen aufgebracht. Eine chemische Reaktion zwischen den Stoffen findet statt, bei der Energie freigesetzt wird. Dadurch verdampft ein Teil des Tröpfchens. Der Größenunterschied kann gemessen werden und erlaubt Rückschlüsse auf die Reaktionsenergie.

Zwei Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie und der Universität Jena haben eine elegante neue Methode entwickelt, die es erlaubt, die Energie einfacher chemischer Reaktionen unter ähnlichen Bedingungen zu messen wie bei Atomen und Molekülen im frühen Sonnensystem. Die neue Technik verspricht genaue Messungen von Reaktionsenergien, anhand derer sich chemische Reaktionen unter Weltraumbedingungen besser verstehen lassen – auch Reaktionen wie jene, die dafür verantwortlich waren, organische chemische Stoffe als Ausgangsstoffe für die Entwicklung von Leben hervorzubringen.

Damit auf der Erde Leben entstehen konnte, waren zahlreiche Ausgangsstoffe in Form von komplexen organischen Molekülen nötig. Einige dieser Moleküle dürften sich bereits vor langer Zeit im Weltraum gebildet haben, während der Entstehung des Sonnensystems. Systematische Untersuchungen der dazu nötigen chemischen Reaktionen, die auf den unregelmäßigen Oberflächen von Staubteilchen stattfanden, sind allerdings schwierig, weil für eine Reihe der Reaktionen grundlegende Informationen zum Ablauf und zu den benötigten Energien fehlen: Welche Elementarreaktionen sind unter Einbeziehung welcher einzelnen Reaktionspartner möglich? Welche Temperatur ist erforderlich, damit eine Reaktion stattfinden kann? Welche Moleküle entstehen bei diesen Reaktionen? Jetzt haben Thomas Henning, Direktor am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), und Sergiy Krasnokutskiy von der Labor-Astrophysik-Gruppe des MPIA an der Universität Jena eine elegante Methode entwickelt, um solche elementaren Oberflächenreaktionen zu untersuchen – mit Hilfe winziger flüssiger Heliumtröpfchen.

Im frühen Sonnensystem, lange vor der Entstehung der Erde, fanden komplexe chemische Reaktionen statt, bei denen erhebliche Mengen an organischen Molekülen entstanden. Das kosmische Labor für diese chemischen Synthese wurde von Staubkörnern gebildet: Zusammenballungen vornehmlich von Silikaten und Kohlenstoff, bedeckt mit einem Eismantel. Deren vergleichsweise großen Oberflächen boten die richtigen Bedingungen auch für durchaus komplexe Reaktionen. In den Millionen von Jahren, die folgten, schlossen sich zahlreiche der Staubkörner zu noch größeren Strukturen zusammen, bis rund um die junge Sonne schließlich Planeten entstanden.

Die Grundstoffe für das Leben

Alle organischen Verbindungen, die auf den Oberflächen der derjenigen Staubkörner synthetisiert worden waren, aus denen die Planeten entstanden, wurden durch die unvermeidbare Hitze während der Planetenentstehung zerstört. Übrig blieben diejenigen Moleküle, die auf den Oberflächen der verbliebenen Staubteilchen, Kleinkörpern oder eisigen Kometenkernen entstanden waren. Einem Modell für die Entstehung des Lebens zufolge waren es diese kleineren Körper, welche chemische Grundlage für die Entstehung von Leben auf unserem Heimatplaneten schufen. Sobald die Erdoberfläche ausreichend abgekühlt war, sodass sich flüssiges Wasser bilden konnte, hätten Kleinkörper, die auf die Erde auftragen, organische Moleküle auf die Erde getragen. Einige davon, deren Meteoriten zufällig in kleinen, warmen Teichen gelandet wären, hätten als Ausgangsstoffe für das erste Leben auf der Erde gedient.

Um die frühen chemischen Vorgänge in unserem Sonnensystem verstehen zu können, muss bekannt sein, wie derartige Reaktionen im Prinzip ablaufen. Benötigen bestimmte Reaktionen zum Beispiel eine bestimmte Aktivierungsenergie, um ablaufen zu können? Welche Stoffe entstehen bei einer gegebenen Reaktion? Die Antworten auf diese und ähnliche Fragen entscheiden, welche Reaktionen unter welchen Bedingungen im frühen Sonnensystem ablaufen konnten. Sie sind der Schlüssel für eine realistische Rekonstruktion der chemischen Zusammensetzung des frühen Sonnensystems.

Datenknappheit für Tieftemperatur-Reaktionen auf Oberflächen

Leider gibt es nicht annähernd genügend Daten zu solchen Reaktionen. Stattdessen widmet sich ein wesentlicher Teil der chemischen Forschung der Untersuchung solcher Reaktionen in der Gasphase, in der die Atome und Moleküle frei schweben, kollidieren und Verbindungen eingehen. Aber die entscheidenden chemischen Reaktionen im Weltraum, die notwendig sind, um größere organische Moleküle zu bilden, finden unter ganz anderen Bedingungen statt – nämlich auf der Oberfläche von Staubkörnern, und bei tiefen Temperaturen.

Das ändert sogar die grundlegende Physik der Situation: Gehen Atome oder Moleküle eine Bindung ein, wird Energie freigesetzt. Kann diese Energie nicht an die Umwelt weitergegeben werden, wird das neue Molekül unter Umständen sehr schnell zerstört. Das verhindert, dass bestimmte Arten von Molekül in der Gasphase überhaupt entstehen. Auf einer Oberfläche oder in einem Medium kann solche Energie von der zusätzlich vorhandenen Umgebungsmaterie aufgenommen werden. Damit sind die Bedingungen für bestimmte Arten von Reaktionen, die Schritt für Schritt komplexe Moleküle bilden, unter solchen Verhältnissen viel günstiger.

Henning und Krasnokutskiy entwickelten eine elegante Methode für die Messung der Energetik solcher Reaktionen. Ihre Modelle der kosmischen Staubteilchen-Laboratorien sind winzige Heliumtröpfchen von wenigen Nanometern Größe, die in einem Hochvakuum umherschweben. Die an der Reaktion beteiligten Atome oder Moleküle werden als Gase in die Vakuumkammer geleitet. Dabei werden allerdings so kleine Mengen verwendet, dass die Heliumtropfen mit größter Wahrscheinlichkeit entweder ein einziges Molekül von jeder benötigten Art oder aber gar keines aufnehmen – auf keinen Fall jedoch mehrere. Die Heliumtröpfchen fungieren dabei als Medium das, ähnlich wie die Oberfläche eines Staubkorns, Reaktionsenergie absorbieren kann. Damit können Reaktionen unter ähnlichen Bedingungen wie im frühen Sonnensystem stattfinden. (Einige Unterschiede bestehen weiterhin – beispielsweise kann die Oberfläche eines Staubkorns auch eine katalytische Wirkung haben.)

Nanotropfen als Messgeräte

Darüber hinaus verwendeten die beiden Astronomen die Helium-Nanotropfen als Energiemessgeräte (Kalorimeter). Wenn Reaktionsenergie in den Tropfen freigesetzt wird, verdunsten einige der Heliumatome in einer vorhersagbaren Weise. Der verbleibende Tropfen ist nun kleiner als zuvor, und dieser Größenunterschied kann auf verschiedene Weisen gemessen werden: zum einen mit einem Elektronenstrahl (ein größerer Tropfen ist einfacher zu treffen als ein kleiner!), zum anderen durch eine präzise Messung des durch die Heliumtröpfchen an den Wänden der Vakuumkammer erzeugten Drucks (größere Tropfen erzeugen einen höheren Druck als kleinere).

Die beiden Astronomen konnten dabei die Genauigkeit erhöhen, indem sie ihr Verfahren mit gut untersuchten chemischen Reaktionen kalibrierten. Insgesamt bietet die neue Methode eine elegante neue Möglichkeit, den Entstehungsweg komplexer organischer Moleküle im Weltraum zu untersuchen. Das sollte es Forschern ermöglichen, mit größerer Sicherheit anzugeben, auf welche Ausgangsstoffe die Entstehung des Lebens auf der Erde zurückgreifen konnte.

Die ersten Messungen mit der neuen Technik bestätigen einen Trend, der bereits in anderen Experimenten der jüngeren Vergangenheit sichtbar wurde: Auf Oberflächen mit niedrigen Temperaturen sind Kohlenstoffatome überraschend reaktionsfreudig. Die Forscher stellten fest, dass eine überraschend hohe Anzahl – fast ein Dutzend – Reaktionen mit Kohlenstoffatomen barrierefrei verlaufen. Diese Reaktionen benötigen keine Energiezufuhr, um in Gang zu kommen, und können daher auch bei sehr niedrigen Temperaturen ablaufen. Offensichtlich führt die Kondensation von atomarem Gas auf Staubteilchen bei niedrigen Temperaturen so gut wie automatisch zur Bildung einer großen Vielfalt an organischen Molekülen.

Diese Vielfalt bedeutet aber auch, dass die Moleküle jeder einzelnen Spezies sehr selten sein werden. Das könnte zur Folge haben, dass Astronomen die Menge an organischen Molekülen im Weltraum drastisch unterschätzen. Um Häufigkeiten zu schätzen, werden mit Hilfe astronomischer Beobachtungen die "optischen Fingerabdrücke" (Spektrallinien) jeder Molekülart gesondert gemessen. Darüber hinaus können unter solchen Bedingungen auch die charakteristischen Spektraleigenschaften der Moleküle (allgemeiner: von spezifischen Funktionsgruppen, die jeweils in einer Reihe unterschiedlicher Moleküle vorkommen) leicht verändert sein. Insgesamt würden Astronomen mithilfe der üblichen Spektralanalyse kaum Moleküle nachweisen – und doch könnte direkt unter der Nachweisgrenze eine komplexe Welt von Molekülen existieren, die ein erhebliches Reservoir an organischem Material darstellt.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Uni Jena
  • News

    Erstmals entschlüsselt: Wie Licht 
chemische Reaktionen in Gang hält

    Um Menschen weltweit klimaverträglich mit Energie zu versorgen, gilt Wasserstoff als Brennstoff der Zukunft. Versuche, diesen umweltfreundlich aus Sonnenlicht und Wasser zu erzeugen, sind allerdings bislang wenig ergiebig. Ein Forscherteam des Jenaer Leibniz-Instituts für Photonische Techno ... mehr

    Pilz produziert hochwirksames Tensid

    Mortierella alpina lebt im Boden und mag es eher kühl. Der zu den Jochpilzen (Zygomyzeten) gehörende Pilz gedeiht am besten bei 10 bis 15°C und kommt vor allem in alpinen oder arktischen Regionen vor. In der Biotechnologie wird der Pilz bislang genutzt, um langkettige Fettsäuren wie Arachid ... mehr

    Gründungsprojekt "Polytives" der Uni Jena präsentiert neuartige Kunststoffzusätze

    Mit dem Gründungsvorhaben „Polytives“ ist die Friedrich-Schiller-Universität Jena auf der Technologiemesse „Rapid.Tech + FabCon 3.D“ vertreten, die vom 25. bis 27. Juni in Erfurt stattfindet. In dem Projekt werden Additive für verschiedene Kunststoffe entwickelt, um deren Verarbeitung zu er ... mehr

  • q&more Artikel

    Gene auf Zucker

    Der gezielte Transport von DNA und RNA mit Vektoren, meist aus synthetischen Polymeren, in Zellkulturen gehört mittlerweile zum festen Repertoire der biologischen Forschung und Entwicklung, was die Vielzahl an kommerziellen Kits zeigt. Allerdings gestalten sich bisher nicht nur viele Laborv ... mehr

    Sex oder Tod

    Diatomeen sind einzellige Mikroalgen, die aufgrund ihrer filigranen und reich verzierten mineralisierten Zellwand auch als Kieselalgen bezeichnet werden. Trotz ihrer mikroskopisch kleinen Zellen spielen ­diese Algen eine fundamentale ­Rolle für marine Ökosysteme und sind sogar zentrale Akte ... mehr

    Wertgebende Komponenten

    Die Isolierung bioaktiver Pflanzeninhaltsstoffe, ätherischer Öle bzw. pflanzlicher Farb- und Aromastoffe erfordert aufwändige und kostenintensive Verfahren. Oft ist jedoch für verschiedene Anwendungen eine Isolierung der Einzelkomponenten nicht erforderlich, es genügt deren Konzentrierung. ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Thomas Heinze

    Thomas Heinze, Jahrgang 1958, studierte Chemie an der FSU Jena, wo er 1985 promovierte und nach dem Postdoc an der Katholischen Universität Leuven (Belgien) 1997 habilitierte. 2001 folgte er dem Ruf auf eine Professur für Makromolekulare Chemie an die Bergische Universität Wuppertal. Seit 2 ... mehr

    Prof. Dr. Dagmar Fischer

    Dagmar Fischer ist approbierte Apothekerin und promovierte 1997 im Fach Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie an der Philipps-Universität Marburg. Nach einem Aufenthalt am Texas Tech University Health Sciences Center, USA, sammelte sie mehrere Jahre Erfahrung als Leiterin der Präklin ... mehr

    Prof. Dr. Stefan H. Heinemann

    Stefan H. Heinemann, geb. 1960, studierte Physik an der Universität Göttingen. Nach zweijähriger Forschungszeit an der Yale University, New Haven, USA, promovierte er 1990 am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen. Nach einem Forschungsaufenthalt an der Standford Unive ... mehr

Mehr über MPI für Astronomie
Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Wie Graphen-Nanoteilchen die Auflösung von Mikroskopen verbessern

    Konventionelle Lichtmikroskope können Strukturen nicht mehr abbilden, wenn diese einen Abstand haben, der kleiner als etwa die Lichtwellenlänge ist. Mit „Super-resolution Microscopy“, entwickelt seit den 80er Jahren, kann man diese Einschränkung jedoch umgehen, indem fluoreszierende Materia ... mehr

    Präzise Schadstoffermittlung aus dem All

    Stickoxide (NO und NO2) tragen wesentlich zur Luftverschmutzung bei. Um die Luftqualität möglichst gut vorherzusagen und Strategien zur Reduktion der Verschmutzung zu entwickeln, sind präzise Emissionsdaten notwendig. Dazu helfen unter anderem tägliche Satellitenmessungen. Das Messgerät bli ... mehr

    Verzerrte Atome

    Mit zwei Experimenten am Freie-Elektronen-Laser FLASH in Hamburg gelang es einer Forschergruppe unter Führung von Physikern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, starke nichtlineare Wechselwirkungen ultrakurzer extrem-ultravioletter (XUV) Laserpulse mit Atomen und Io ... mehr

  • Videos

    Katalysatoren - Multitalent Katalysator

    Kaum ein Prozess in der chemischen Industrie läuft ohne Katalysatoren. Sie beschleunigen chemische Reaktionen und helfen so, Energie zu sparen und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Viele Reaktionen werden durch Katalysatoren aber auch praktisch erst möglich. mehr

    STED - Lichtblicke in die Nanowelt

    Details die enger als 200 Nanometer beieinander liegen, können mit optischen Mikroskopen nicht mehr unterschieden werden – das entspricht in etwa dem Zweihunderdstel einer Haaresbreite. Grund dafür ist die Wellennatur des Lichts, dessen halbe Wellenlänge in etwa diesen 200 Nanometern entspr ... mehr

    Tuning für Brennstoffzelle

    Die Brennstoffzelle kann klimaschonenden Strom erzeugen, vor allem wenn sie mit Wasserstoff aus regenerativen Quellen wie etwa aus Biomasse betrieben wird. Damit sie aber auch mit Brennstoff aus Holzabfällen oder Stroh optimal arbeitet, benötigt sie eine ausgeklügelte Steuerung. mehr

  • White Paper

    Die Keimzelle der Biobatterie

    Um überschüssigen Strom von Windkraft- und Solaranlagen aufzuheben sind leistungsfähige Batterien und Kondensatoren aus nachhaltigen Materialien gefragt. mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

    Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.