CHEMIENOBELPREIS 1999: AHMED H. ZEWAIL

Chemienobelpreis 1999: Ahmed H. Zewail

 

Der ägyptische Wissenschaftler wurde für die Entwicklung der Femtosekundenspektroskopie ausgezeichnet.

 

 Biografie

 

Ahmed H. Zewail, * Damanhour (Ägypten) 26. 2. 1946; Studium in Alexandria, anschließend an den Universitäten von Pennsylvania und Berkeley, seit 1990 Professor am Technischen Institut von Kalifornien (CalTech).

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Ahmed Zewail ist der Vater der Femtochemie. Er arbeitet seit mehr als 20 Jahren an der Spitze der laserspektrokinetischen Forschung. Darunter versteht man die Analyse der ultraschnellen Dynamik der chemischen Bindung und die Elementarschritte chemischer Prozesse. Seine Arbeitsgruppe konnte zum ersten Mal die Geburt eines Moleküls kontinuierlich vom Beginn der Reaktion der Teilmoleküle bis zum Produkt in Raum und Zeit sichtbar machen.

 

Die Zeitlupe ist ein hervorragendes Verfahren, schnell ablaufende Vorgänge im Detail zu beobachten.Ahmed Zewail hat diese Technik auf ein Auflösungsvermögen gebracht, das chemische Prozesse sichtbar macht. Mit der schnellsten Kamera der Welt filmte er die Entstehung chemischer Bindungen. Dazu hat seine Gruppe keine neuen Technologien entwickelt. Sie nutzte vor allem optoelektronische Bauteile der Halbleitertechnologie. Zur Zeit der Basisexperimente zwischen 1987 und 1992 war der sub-50-fs-CPM-Laser (Colliding Pulse Modelocking) bereits entwickelt. Der von ihnen im weiteren verwendete Titan:Saphir-Laser stand als Prototyp ab 1990 zur Verfügung. Solche Laser setzten sie ein, um Moleküle mit Laserpulsen im Femtosekundenbereich zeitverzögert anzuregen und abzufragen (Pump-&-Probe-Technik).

 

 Moleküle in Zeitlupe

 

Zewails außerordentliche Leistung besteht darin, den zwischen den Reaktionspartnern und dem Produktmolekül liegenden Übergangszustand und dessen innere Bewegungsmoden zeitlich und räumlich aufgelöst zu haben. Der Femtosekundenimpuls ist dafür ein einzigartiges Instrument, da er zeitlich kürzer ist als die typische Dauer einer molekularen Schwingung. Gleichzeitig ist der Laserpuls ein hervorragendes Werkzeug, um die Atomkerne in den beteiligten Molekülen in Schwingung zu versetzen. Um Reaktionsübergänge zu beobachten, verwendete Zewails Arbeitsgruppe eine Sequenz von meistens spektral unterschiedlichen Anregungs- und Abfragepulspaaren. Diese Untersuchungen führte sie an ultrakalten Molekülen und Atomen mit sehr einheitlichen Energieniveaus durch.

 

Der sehr hohe Stand der Experimentierkunst von Zewail und seinen Mitarbeitern beruht auf Arbeiten zur molekularen Kohärenz aus der Zeit vor 1987, die sich noch im Pikosekundenbereich (10^-12) Sekunden bewegten. Die Gruppe war damals allen anderen Wissenschaftlern experimentiertechnisch überlegen. Zewail konnte Lichtblitze von einigen zehn Femtosekunden (fs) erzeugen. Die Zeit, die die Atome in einem Molekül für eine Schwingung benötigen, liegt zwischen 10 fs und 100 fs. Im selben Zeitraum sollten auch die chemischen Reaktionen ablaufen. 1 fs ist die Zeit von 0,000 000 000 000 001 oder 10^-15 Sekunden. Im Vergleich zu einer Sekunde ist das so wenig wie eine Sekunde zu 32 Millionen Jahren.

 

Zewails Arbeiten liegen 100 Jahre Forschung zugrunde. Der schwedische Physikochemiker Svante Arrhenius (Nobelpreis 1903) hatte bereits eine einfache Gleichung für die Reaktionsgeschwindigkeit als Funktion der Temperatur gefunden. Sie bezog sich jedoch auf optisch sichtbare Molekülmassen. Erst in den 1930er-Jahren gelang es dem amerikanischen Physikochemiker Henry Eyring und dem kanadischen Chemiker John Charles Polanyi (Nobelpreis 1986), eine entsprechende Theorie für einzelne Moleküle aufzustellen. Die Forscher nahmen an, dass das Übergangsstadium sehr schnell, etwa im Bereich der Dauer der molekularen Schwingungsfrequenz, überwunden wird.

 

 Die Kraft des Lichtpulses

 

Die Kraft der chemischen Bindungen, die die Atome in einem Molekül zusammenhält, bestimmt die Höhe der notwendigen Aktivierungsenergie, um sie wieder zu lösen. Bislang war nur unzureichend verstanden, wie Moleküle diese Hürde überwinden. Um solche Fragen zu beantworten untersuchte Zewail zunächst den Zerfall von Jodcyanamid (ICN). Seiner Arbeitsgruppe gelang es, das Brechen der Bindung zwischen Jod (I) und Kohlenstoff (C) zu dokumentieren. Die Reaktion dauerte 200 fs. In einem weiteren Experiment erforschte Zewail die Spaltung von Natriumjodid (NaI). Der Lichtpuls des Lasers regte das Ionenpaar Na⁺I^- an, das normalerweise einen Gleichgewichtsabstand von 0,28 Nanometern (nm) hat. In der aktivierten Form weichen die beiden Ionen auseinander. Es bleibt ihnen mehr Raum zum Schwingen. Je nach Schwingungsabstand der beiden Atome veränderte sich die Art der Bindung. An ihrem äußeren Schwingungsumkehrpunkt von 0,1 bis 0,15 nm bildet sich eine Ionenbindung. Bei 0,28 nm ist es eine Elektronenpaar- oder Kovalenzbindung. Erreichen die Kerne in ihrem Schwingungszyklus einen Abstand von 0,69 nm, ist die Wahrscheinlichkeit sehr groß, dass sie entweder in den Grundzustand zurückfallen oder in Natrium- und Jodatome zerfallen.

 

Zewail analysierte auch die Reaktionen von elementarem Wasserstoff und Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid und OH-Ionen. Er fand, dass das Übergangsstadium HOCO mit 1000 fs sehr lange dauert. Die für das chemische Verständnis wichtige Frage, wie sich zwei gleichartige Bindungen innerhalb eines Moleküls verhalten, konnte Zewail anhand der Untersuchung des Zerfalls von Tetraflourdijodethan in Tetraflourethylen und zwei Jodatome beantworten. Er entdeckte, dass die zwei Kohlenstoffjodbindungen trotz ihrer Gleichwertigkeit im Molekül nacheinander und nicht gleichzeitig aufgehen. Als die Gruppe die vermeintlich einfache Reaktion zwischen dem Benzolring (C₆H₆) und elementarem Jod (I₂) untersuchte, machte sie eine erstaunliche Entdeckung. Kommen sich die beiden so unterschiedlichen Moleküle sehr nahe, bilden sie einen Komplex. Der Laserblitz schießt ein Elektron aus dem Benzolring heraus, das auf das Jod übergeht. Das nun positiv geladene Benzol und das negative Jod ziehen sich an. Die Bindung zwischen den beiden Jodatomen wird dadurch gedehnt. Schließlich wird eines der beiden Atome vom Benzolring aufgesaugt, während das andere nach Bruch der Bindung wegfliegt. Neben vielen weiteren Entdeckungen konnte Zewail die interessante Umwandlung des Stilbens, einem Phenol mit zwei Benzolringen, von der cis- in die trans-Form beobachten.

 

 Nobelpreis gegen Grippe

 

Seine Arbeiten zur Femtochemie haben Chemie und Biologie außerordentlich befruchtet. Die Untersuchung der Prozesse in Gasen und Festkörpern wird damit ebenso wesentlich erleichtert wie die von Polymeren oder wie die Oberfläche eines rostenden Nagels. Die Anwendung reicht von der Katalyse bis zur Entwicklung molekularer elektronischer Bauteile. Physiologische Prozesse können durch die Femtospektroskopie ebenso besser verstanden werden, wie sich mit ihrer Hilfe noch wirksamere Medikamente entwickeln lassen.

 

Doch das nützte Zewail 1999 noch nichts. Er lag mit einer schweren Grippe im Bett, als ihn frühmorgens der Anruf des Nobelkomitees hochschreckte. »Nach diesem Anruf schien das Virus abgetötet zu sein«, meinte er und empfahl, in der irrigen Annahme, dass man Viren töten könne, jedem Grippegeschwächten den Nobelpreis. Er bezeichnete sich als sehr glücklich, »der erste ägyptisch-arabische Wissenschaftler« zu sein, der den Nobelpreis erhielt, und widmete ihn Ägypten, »dem unsere Herzen gehören«.