In einem wissenschaftlichen Meilenstein ist es Forschern gelungen, mithilfe ultraschneller Röntgenpulse erstmals ein einzelnes Elektron während eines chemischen Prozesses abzubilden. Diese bahnbrechende Leistung, veröffentlicht am 20. August 2025 im renommierten Journal Physical Review Letters, eröffnet beispiellose Einblicke in die fundamentalen Mechanismen chemischer Reaktionen.
Das Team konzentrierte sich auf die Beobachtung der dynamischen Bewegung eines Valenzelektrons im exakten Moment der Dissoziation eines Ammoniakmoleküls. Diese Entwicklung ermöglicht ein tieferes Verständnis des komplexen Zusammenspiels von Elektronen, das allen chemischen Transformationen zugrunde liegt. Bisherige Röntgenstreuungstechniken waren primär darauf ausgelegt, Atome und deren Wechselwirkungen darzustellen und waren in der Lage, schnelle mikroskopische Veränderungen zu erfassen. Allerdings interagierten diese Methoden hauptsächlich mit inneren Elektronen, während die für chemische Reaktionen entscheidenden Valenzelektronen weitgehend unbeobachtet blieben. Der neue Ansatz überwindet diese Einschränkung und ermöglicht die direkte Beobachtung dieser zentralen äußeren Teilchen.
Ian Gabalski, Hauptautor der Studie und Doktorand in der Physik, betonte die tiefgreifenden Implikationen dieser Arbeit. Ein fundiertes Verständnis des Verhaltens von Valenzelektronen verspricht, die Entwicklung von pharmazeutischen Wirkstoffen zu optimieren, stabilere chemische Technologien zu fördern und den Weg für fortschrittliche Materialien zu ebnen. Das Ammoniakmolekül wurde aufgrund seiner leichten Atome für das Experiment ausgewählt, um die Beeinflussung durch innere Elektronen zu minimieren und so die Klarheit des Signals zu erhöhen.
Die Experimente fanden am SLAC National Accelerator Laboratory statt, unter Nutzung der Linac Coherent Light Source (LCLS), einer Einrichtung, die für die Erzeugung leistungsstarker, kurzer Röntgenpulse bekannt ist. Der Prozess begann mit der Bestrahlung des Ammoniakmoleküls mit ultravioletter Strahlung, die ein Elektron auf ein höheres Energieniveau anregte und die Dissoziation einleitete. Anschließend erfassten Röntgenstrahlen präzise die Bewegungen der Elektronenwolke und spiegelten die Dynamik der Reaktion wider.
Im Rahmen der Quantenmechanik werden Elektronen nicht als feste Teilchen, sondern als Wahrscheinlichkeitswolken, sogenannte Orbitale, verstanden, deren Dichte ihre Position bestimmt. Die Forscher nutzten Computermodelle, um diese Wahrscheinlichkeitswolken zu beschreiben. Wenn Röntgenwellen diese Wolken durchquerten, streuten und interferierten sie, was die Rekonstruktion von Bildern ermöglichte, die die Elektronenbewegungen verfolgten. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit theoretischen Modellen bestätigte die entscheidende Rolle der Valenzelektronen bei den beobachteten Veränderungen.
Zukünftig plant das Forschungsteam, diese Technologie für komplexere, dreidimensionale Umgebungen anzupassen, was potenzielle Anwendungen in der regenerativen Medizin, wie der Gewebereparatur und der Schaffung künstlicher Strukturen, eröffnen könnte. Dieser Fortschritt markiert einen entscheidenden Moment in unserer Fähigkeit, die fundamentalen Prozesse zu beobachten und zu verstehen, die unsere Welt auf atomarer Ebene gestalten.