CHEMIE

Femtochemie

Über Jahrhunderte war die Chemie eine reine Erfahrungswissenschaft. Aus Zigtausenden von Versuchen wusste man, wie bestimmte Stoffe reagieren, wenn man sie mit anderen zusammenbringt. So lernte man, eine Vielzahlneuer Substanzen herzustellen. Bis vor kurzem lag aber immer noch im Dunkeln, was geschieht, wenn sich Atome zu Molekülen zusammentun.

Diese nahm an, dass es einen „Übergangszustand“ gebe, einen extrem kurzlebigen Moment ohne Wiederkehr in jeder Reaktion, den die Atome irgendwann überschreiten und sich miteinander verbinden. Dass man jemals Experimente in derartig kurzen Zeitabständen machen könnte, um dieses Ereignis genauer zu untersuchen, davon konnte man damals nicht einmal träumen.

Jedoch entwickelten Forscher Lasern mit ultrakurzen Pulsen, die in den Femtosekundenbereich vorstießen. (Ahmed Hassan Zewail, ägyptischer Chemiker und Nobelpreisträger (1999) für Arbeiten in der Femtochemie; wissenschaftlicher Berater von Präsident Barack Obama !)
Eine Femtosekunde ist unvorstellbar kurz. Sie beträgt 10 zu -15. Sekunden, also den millionsten Teil einer Milliardstel Sekunde.
Im Verhältnis zu einer Sekunde ist dies genauso wenig wie eine Sekunde im Verhältnis zu 32 Millionen Jahren.

Wie mit einer Hochgeschwindigkeitskamera gelang es, mit derartigen Lasern Moleküle während des Ablaufs einiger chemischer Reaktionen abzubilden und ein Bild von ihnen genau dann einzufangen, wenn sie sich im Übergangszustand befanden. So konnten die Forscher nachweisen, dass es Zwischenprodukte gibt, so genannte Intermediäre, die sich auf dem Weg zwischen den ursprünglichen Stoffen und den Endprodukten bilden.

Wäre es möglich, direkt am Molekül „mikroskopisch“ Einfluss zu nehmen, um gezielt chemische Bindungen zu brechen oder zu erzeugen, käme dies einer Revolution in
der synthetischen Chemie gleich.

Mit Hilfe speziell geformter Femtosekunden - Laserpulse ist der „chirurgische Schnitt“
ins Molekül machbar, in steuerbaren Chemie, im Fachjargon „coherent control“ („kohärente Kontrolle“) genannt.

Die so geformten Lichtblitze werden nun dazu benutzt, eine chemische Reaktion in
einem Molekülstrahl der zu steuernden Ausgangssubstanz zu starten. Mit Hilfe eines Massenspektrometers wird gemessen, welche Produkte dabei mit welcher Ausbeute erzeugt wurden. Ein Computer verarbeitet diese Informationen und versucht verbesserte Lichtblitze zu errechnen, die dann wiederum vom Pulsformer erzeugt und im Experiment am Molekülstrahl getestet werden. Der Trick dieser Optimierung ist, dass sie auf einem Selbstlernenden Verfahren beruht, das der biologischen Evolution nachempfunden ist. Nach Darwin’s Prinzip „Survival of the Fittest“ („Der Beste überlebt“) werden Laserpulse, die das Optimierungsziel besonders gut erfüllen, ausgewählt und durch Kombination mit ähnlich erfolgreichen Mustern „fortgepflanzt“.
Einige der hierdurch erzeugten „Nachkommen“ sind wiederum besser geeignet als ihre „Vorfahren“, es wird ihnen aufgrund der direkten Rückkopplung aus dem Experiment
eine höhere „Fitness“ zugeordnet, und sie werden erneut zur Reproduktion ausgewählt. Wenn dieser Vorgang der Evolution für genügend viele Generationen durchschritten wird,
steigt die durchschnittliche Fitness an, und es findet sich schließlich ein Laserpuls,
der optimal dazu in der Lage ist, das Molekül genau nach den Wünschen des Anwenders umzuformen.

Das erstaunliche an der Methode ist, dass für eine erfolgreiche Durchführung keinerlei Vorwissen über die untersuchten Moleküle oder den Ablauf der chemischen Reaktion benötigt wird. Das Optimierungsverfahren nach dem Evolutionsprinzip ist selbstlernend und findet die optimalen Laserpulsformen völlig automatisch. Diese Technik ist daher auch für andere Problemstellungen einsetzbar.
Überall dort, wo Femtosekunden - laserinduzierte Prozesse eine Rolle spielen, können Vorgänge in Chemie, Physik, Biologie, Medizin oder Mikro-Materialbearbeitung effizienter durchgeführt und flexibel gesteuert werden.
Ultrakurze Laserpulse mit Pulsdauern zwischen 10 Pikosekunden (ps) und einigen Femtosekunden (fs) eröffnen völlig neuartige Möglichkeiten der Laserapplikation,
etwa durch einen hochpräzisen, kalten Abtrag in der Mikromaterialbearbeitung oder
die minimalinvasive Hornhautchirurgie.
Für medizinische Anwendungen wurde der Einsatz der Femtosekundentechnologie
zur schmerzfreien und minimalinvasiven Kariestherapie, zur Fertigung von Zahnersatz aus hochfesten Dental- Keramiken und zur laserbasierten Stimulation neuartiger
Röntgenröhren erforscht. Für die hochpräzise und schädigungsarme Mikrochirurgie wurde ein "Sehendes Skalpell" realisiert, das eine Echtzeitüberwachung des operativen Eingriffs mittels ultrakurzer Laserpulse etwa im Auge oder an den Stimmlippen erlaubt.

Es bleibt abzuwarten, ob man in der Zukunft die Elektroschocks durch das Sehender Skalpell ersetzten kann?