Dynamische Chiralität von Ameisensäure durch Quantenfluktuationen nachgewiesen

Eine grundlegende Annahme der Chemie, wonach Ameisensäure (Methansäure, HCOOH) ein strikt planares Molekül sei, wird durch eine Veröffentlichung im Januar 2026 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters in Frage gestellt. Die Forschung zeigt, dass minimale, ständige atomare Schwingungen dem Molekül seine Symmetrie nahezu augenblicklich nehmen und es in eine chirale, also nicht-spiegelbildliche Form überführen. Diese Erkenntnis verlagert das Verständnis von Molekülgeometrie von einer statischen Eigenschaft hin zu einem dynamischen Quantenphänomen.

Die experimentelle Grundlage für diese Ergebnisse wurde am PETRA III Röntgenquellen-Synchrotron des DESY-Beschleunigerzentrums in Hamburg geschaffen. Die Wissenschaftler nutzten einen Röntgenstrahl, um gezielt den photoelektrischen und den Auger-Effekt im Molekül auszulösen, was zur sogenannten Coulomb-Explosion führte. Mittels des COLTRIMS-Reaktionsmikroskops wurden diese sequenziellen Prozesse in Koinzidenz gemessen. Diese Methode, deren Entwicklung maßgeblich von Prof. Dr. Reinhard Dörner mitbegründet wurde, ermöglichte eine präzise Berechnung der ursprünglichen Molekülgeometrie und Einblicke in die ultraschnelle Dynamik atomarer und molekularer Systeme.

Die zentralen Datenpunkte der Untersuchung belegen, dass die beiden Wasserstoffatome minimal oszillieren, wodurch das Molekül in nahezu jedem Moment eine chirale Konfiguration annimmt. Die Chiralität, die traditionell durch die statische Anordnung von Atomen definiert wird, tritt hier als dynamisches Phänomen auf, verursacht durch die Nullpunktsschwingungen der Kerne im vibronischen Grundzustand. Diese ständigen Bewegungen sind ein direkter Ausdruck quantenphysikalischer Effekte, die besagen, dass Teilchen niemals vollständig zur Ruhe kommen. Die Schlussfolgerung der Wissenschaftler ist, dass Geometrie im Quantenreich ein dynamisches Ereignis und keine fixe Eigenschaft ist; die flache Form stellt lediglich das zeitlich gemittelte Ergebnis der Schwingungen dar.

An der Forschung waren mehrere Institutionen beteiligt, darunter die Goethe-Universität Frankfurt, die Universitäten Kassel und Marburg, die Universität Nevada, das Fritz-Haber-Institut sowie das Max-Planck-Institut für Kernphysik. Die Leitung der Forschungsgruppe oblag Prof. Dr. Reinhard Dörner vom Institut für Kernphysik der Goethe-Universität Frankfurt. Die experimentelle Demonstration, dass einzelne Ameisensäuremoleküle chiral sind, selbst im vibronischen Grundzustand mit einer planaren Gleichgewichtsstruktur, wurde durch die Ionisierung der C 1s-Schale und die gleichzeitige Registrierung des Photoelektrons und der geladenen Fragmente erreicht. Die Übereinstimmung der Händigkeit in der Photoelektronen-Diffraktions-Abbildung und der Coulomb-Explosions-Abbildung untermauert die Robustheit dieser Beobachtung, die auf andere prochiralen Moleküle übertragbar sein könnte.

Die Relevanz dieser Forschung reicht über die Grundlagenphysik hinaus, da Chiralität ein entscheidendes Konzept in der Biologie und Pharmazie darstellt, wo Enantiomere oft unterschiedliche physiologische Wirkungen aufweisen. Die Beobachtung, dass Quantenfluktuationen allein eine fundamentale Eigenschaft wie die Chiralität induzieren können, eröffnet neue Perspektiven für das Verständnis, wie Asymmetrie in der Natur entsteht. Die gewonnene Präzision in der Messung der momentanen Struktur markiert einen Fortschritt in der Überwindung idealisierter statischer Modelle in der Molekülphysik.