WISSEN DER ZUKUNFT - Magazin Wissen TOPPX

Was sich wie ein Delikt anhört, nämlich das »Tunneln« ist ein ganz normaler quantenphysikalischer Vorgang. Erstmals ist es nun gelungen Elektronen live zu beobachten, wie sie die Atome verließen, von denen sie gefangen gehalten wurden (Heraustunneln).

Der Tunneleffekt erklärt unter anderem, wie es zur Kernfusion in der Sonne kommt oder auch die Funktionsweise des Raster-Tunnelmikroskops, mit dem man bis zu 100-Millionenfach vergrößern kann. Der Fernsehprofessor der Physik, Harald Lesch, demonstriert in der Bildungssendung Alpha Centauri eindrucksvoll, was es mit diesem Phänomen »Tunneleffekt« auf sich hat. Zu Beginn schwebt er durch die Tafelwand der Fernsehkulisse, so wie ein Geist, den keine Barriere von einem Spuk abhalten kann. Gleich darauf nimmt er wieder eine feste Gestalt an und erklärt, dass der Zuschauer seine Vorführung mit Vorsicht genießen soll. Mit dieser Warnung hat er wohl recht. Denn wenn ein Zuschauer es ihm gleich tun wollte, würde er nur Beulen und blaue Flecke davontragen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen durch Wände gehen können, ist verschwindend gering. Nur mikroskopischen Quantenobjekten wie Elektronen oder Protonen gelingt dieses Kunststück mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit.

Man kann den Effekt am Beispiel einer Kugel erklären, die ein Mensch mit Schwung einen Hügel hochrollen lässt. Wenn die Energie, welche der Kugel mitgegeben wird, nicht genügt, rollt die Kugel immer wieder zurück, anstatt die Kuppe zu überwinden und ins nächste Tal zu gelangen. In der Quantenphysik besteht dagegen für Quantenobjekte die Möglichkeit den Potentialwall, wie der Hügel genannt wird, zu durchtunneln. In einem Augenblick befindet sich das Quantenobjekt noch vor dem Potentialwall und im nächsten Augenblick schon dahinter im nächsten Tal. Es ist ein sprunghafter Übergang ohne Zwischenzustände.

Heraustunneln von Elektronen aus Atomen

Noch niemand konnte bisher das Quanten-Tunneln in Echtzeit beobachten. Dieses Kunststück ist nun Physikern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik gelungen. Sie haben das Heraustunneln von Elektronen aus einem Atom erstmals in live verfolgt. Die elektrischen Kräfte innerhalb eines Atoms halten normalerweise jene Elektronen fest, die sich in seinem Inneren aufhalten. Die Kräfte bilden den Potentialwall, den es zu überwinden gilt, wenn sich ein Elektron aus dem Atom herauslösen soll.

Der Trick der Max-Planck-Physiker bestand darin, mit Hilfe von Attosekunden-Laserblitzen die Elektronen näher an den Rand ihres Atomgefängnisses zu bringen. Eine Attosekunde ist milliardster Teil einer milliardstel Sekunde und damit unvorstellbar kurz. Der Laserblitz vergrößert die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronen aus ihrem Atomgefängnis entkommen können. Und tatsächlich, nach einem zweiten Laserblitz, der die Breite des Potentialwalls ein wenig verringerte, nutzen die Elektronen die Gelegenheit, um herauszutunneln.

Atome, denen ein Elektron fehlt, sind positiv geladen. Als die Physiker im Anschluss an das Experiment die positiv geladenen Atome zählten, waren sie nicht schlecht überrascht, dass zahlreiche Elektronen entkommen waren. Noch interessanter ist aber die Feststellung, dass der Zeitbedarf für das Heraustunneln praktisch kaum messbar ist, sodass die Physiker annehmen, der Tunnelprozess benötige überhaupt keine Zeit. Die Erkenntnisse sollen helfen, bessere Röntgenlaser für die medizinische Therapie zu entwickeln.

Tunneleffekt und Hirnforschung

In der Hirnforschung kann das quantenmechanische Tunneln möglicherweise eine Erklärung für die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen liefern. Die einzelnen Neuronen des Gehirns werden durch Schnittstellen verbunden, die Synapsen heißen. Diese besitzen einen winzigen Spalt, der überwunden werden muss, wenn ein Signal von Neuron zu Neuron übertragen werden soll. Die herkömmliche Theorie besagt nun, dass zur Übertragung von Signalen an den Synapsen, das ursprünglich elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt werden muss. Die Theorie kann aber nicht die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen erklären. Wie jeder weiß, der schon mal einen Akku am Stromnetz geladen hat, benötigt die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische erhebliche Zeit. Würde die herkömmliche Theorie stimmen, müsste Denken schneckengleich langsam sein. Weil das der Erfahrung widerspricht, nehmen einige Hirnforscher an, dass der extrem schnelle quantenmechanische Tunneleffekt zur Überwindung des synaptischen Spalts eine Rolle spielt. Sollte man das experimentell bestätigen können, hätte man gleichzeitig eine Verbindung von Bewusstsein zur Welt der Quanten mit all ihren seltsamen Phänomenen gefunden. - Klaus-Dieter Sedlacek - (Foto: R.Motti via flickr.com)

Der Autor ist Verfasser des Buchs mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein, Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« in dem aufgrund quantenphysikalischer Phänomene die Existenz von Bewusstsein auch außerhalb des Gehirns nachgewiesen wird.

Vor allem in Südafrika und Australien gibt es mächtige, zwei bis 3,4 Milliarden Jahre alte geologische Formationen aus Eisenoxid und Siliziumdioxid. Manche von diesen sogenannten gebänderten Eisenformationen (englisch: Banded Iron Formations, BIFs) enthalten viele Milliarden Tonnen Eisenoxid und haben eine Ausdehnung von 100.000 Quadratkilometern. Diese Eisenerze decken nicht nur einen Großteil des Weltbedarfs an Eisen, sondern sind auch von besonderem Interesse für die Wissenschaft. Die Wissenschaftler erhoffen sich von der Erforschung dieser Gesteinsformationen Aufschluss über die Entwicklung der Atmosphäre und des Klimas sowie der Evolution von Mikroorganismen in der frühen Erdgeschichte. Wie die Ablagerungen mit den auffälligen Bänderungen entstanden sind, ist bislang unbekannt. Doch die Geomikrobiologen vom Zentrum für Angewandte Geowissenschaften der Universität Tübingen Nicole R. Posth und Florian Hegler unter der Leitung von Prof. Andreas Kappler können jetzt der Entstehungsgeschichte ein wichtiges Puzzleteil hinzufügen. Sie haben erstmals eine plausible Erklärung gefunden, auf welche Weise Mikroorganismen an der Bildung der Eisenerze beteiligt waren und wie sie auch zur Ablagerung der immer im Wechsel mit dem Eisen auftretenden Siliziumdioxid-Schichten beigetragen haben.

Das Eisen im Urozean stammte aus heißen Quellen am Ozeanboden und war als reduziertes, zweiwertiges Eisen im Wasser gelöst. Der Großteil des Eisens in den heutigen BIFs liegt jedoch als oxidiertes, dreiwertiges Eisen vor. Die Forscher wissen deshalb, dass das zweiwertige Eisen zur Ablagerung oxidiert werden musste. Im klassischen Modell zur Entstehung der BIFs wurde angenommen, dass die Oxidation durch Sauerstoff geschah, den frühe einzellige Lebewesen, die Cyanobakterien, durch ihren Stoffwechsel als Abfallprodukt gebildet hatten. Die Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass zu diesem frühen Zeitpunkt in der Erdgeschichte vermutlich nur sehr wenig oder sogar kein Sauerstoff vorhanden war. Es wurde auch bezweifelt, dass es damals überhaupt schon Cyanobakterien gab. Die Bildung der ältesten BIFs kann also nicht durch Sauerstoff geschehen sein. Denn die ältesten bekannten gebänderten Eisenerze stammen bereits aus dem Präkambrium, sie sind bis zu vier Milliarden Jahre alt - das Alter der Erde wird auf 4,5 bis 4,6 Milliarden Jahre geschätzt.

Andreas Kappler und seine Arbeitsgruppe knüpften bei ihren Forschungen an eine Theorie an, die im Jahre 1969 zum ersten Mal veröffentlicht wurde: Danach sollten die Erze durch eisenoxidierende Bakterien entstanden sein, die zum Leben zwar Licht, aber keinen Sauerstoff benötigten. Allerdings wurden solche anaeroben phototrophen eisenoxidierenden Bakterien erst 1993 in der Natur entdeckt und konnten dann im Labor gezüchtet und untersucht werden. Mit Hilfe von Lichtenergie oxidieren sie zweiwertiges Eisen und setzen es zu dreiwertigem Eisen um - eben zu solchen rostigen Mineralen, wie sie in den BIFs enthalten sind. Die Tübinger Geomikrobiologen entdeckten nun, dass die Ausfällung von Eisen- und Silikatmaterialien in den BIFs natürlichen Temperaturschwankungen unterlag. Die Abhängigkeit von der Temperatur würde auch die bisher unerklärte alternierende Bänderung der Gesteinsformationen erklären: Die Eisenbakterien oxidieren zweiwertiges Eisen nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches. Wenn die Temperatur sinkt, werden weniger Eisenoxide gebildet. Im Gegenzug fällt in einer chemischen Reaktion das im Wasser gelöste Siliziumdioxid in Form von festem Silikat aus. Steigt die Temperatur erneut, werden die Eisenbakterien wieder aktiv und lagern die nächste Schicht Eisenminerale ab - und so weiter. Dadurch lässt sich die typische Wechsellagerung von Eisenoxid- und Silikatmineralien erklären.

Durch ihre Arbeiten können die Tübinger Wissenschaftler nicht nur erstmals erklären, wie Mikroorganismen an der Bildung der Bänderung der BIFs beteiligt sind. Die Forschungsergebnisse geben auch weitere Hinweise darauf, dass zu dieser frühen Zeit auf der Erde sauerstoffbildende Bakterien wie die Cyanobakterien nicht die wichtigste Rolle gespielt haben oder vielleicht noch gar nicht vorhanden waren. Damit hätte es auch noch keinen beziehungsweise nur wenig Sauerstoff in der Atmosphäre gegeben. Stattdessen dominierten vor einigen Milliarden Jahren andere Mikroben wie die von den Tübingern untersuchten Eisenbakterien die Ozeane. (Quelle: idw)

Ein lebhafter kleiner Saturnmond

Video: Die Quantenphysik

In einer Art molekularem Doppelspaltexperiment haben Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts (FHI) der Max-Planck Gesellschaft in Zusammenarbeit mit Forschern vom California Institute of Technology in Pasadena/USA erstmals an Elektronen nachgewiesen, dass diese gleichzeitig Eigenschaften von Welle und Teilchen besitzen und quasi per Knopfdruck zwischen beiden Zuständen hin- und hergeschaltet.

Vor hundert Jahren begann man den in der Naturphilosophie postulierten dualen Charakter der Natur auch auf der Ebene elementarer physikalischer Vorgänge schrittweise zu erkennen. Albert Einstein war der erste, der 1905 diese Konsequenz aus Plancks Quantenhypothese zog. Er ordnete dem eindeutig als elektromagnetische Welle bekannten Photon Teilchencharakter zu. Dies ist die Quintessenz seiner Arbeit zum Photoeffekt. Später war es vor allem deBroglie, der 1926 erkannte, dass alle uns als Teilchen bekannten Bausteine der Natur - Elektronen, Protonen etc. - sich unter bestimmten Bedingungen wie Wellen verhalten.
Die Natur in ihrer Gesamtheit ist also dual; kein einziger ihrer Bestandteile ist nur Teilchen oder Welle. Niels Bohr führte zum Verständnis dieser Tatsache 1923 das Korrespondenz-Prinzip ein, das vereinfacht besagt: Jeder Bestandteil der Natur hat sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter und es hängt nur vom Beobachter ab, welchen Charakter er gerade sieht. Anders gesagt: Es hängt vom Experiment ab, welche Eigenschaft - Teilchen oder Welle - man gerade misst. Dieses Prinzip ist als Komplementaritätsprinzip in die Geschichte der Physik eingegangen.

Albert Einstein war diese Abhängigkeit der Natureigenschaften vom Beobachter Zeit seines Lebens suspekt. Er glaubte, es müsse eine vom Beobachter unabhängige Realität geben. Doch die Quantenphysik hat die Tatsache, dass es keine unabhängige Realität zu geben scheint, im Laufe der Jahre einfach als gegeben akzeptiert, ohne sie weiter zu hinterfragen, da alle Experimente sie immer wieder und mit wachsender Genauigkeit bestätigt haben.

Bestes Beispiel ist das Young’sche Doppelspaltexperiment. Bei diesem Doppelspaltexperiment lässt man kohärentes Licht auf eine Blende mit zwei Schlitzen fallen. Auf einem Beobachtungsschirm hinter der Blende zeigt sich dann ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen. Das Experiment kann aber nicht nur mit Licht, sondern auch mit Teilchen wie z. B. Elektronen durchgeführt werden. Schickt man einzelne Elektronen nacheinander durch den offenen Young’schen Doppelspalt, erscheint auf der dahinterstehenden Photoplatte ein streifenförmiges Interferenzmuster, das keinerlei Information über den Weg, den das Elektron genommen hat, enthält. Schließt man jedoch einen der beiden Spalte, so erscheint auf der Photoplatte ein verwaschenes Abbild des jeweils offenen Spaltes, aus dem man den Weg des Elektrons direkt ablesen kann. Eine Kombination aus Streifenmuster und Lagebild ist in diesem Doppelspaltexperiment jedoch nicht möglich, dazu bedarf es eines molekularen Doppelspaltexperiments.

Obwohl jedes Elektron einzeln durch einen der beiden Spalte zu laufen scheint, baut sich am Ende ein wellenartiges Interferenzmuster auf, als ob sich das Elektron beim Durchgang durch den Doppelspalt geteilt hätte, um sich danach wieder zu vereinen. Hält man aber einen Spalt zu oder beobachtet man, durch welchen Spalt das Elektron geht, verhält es sich wie ein ganz normales Teilchen, das sich zu einer bestimmten Zeit nur an einem bestimmten Ort aufhält, nicht aber an beiden gleichzeitig. Je nachdem also, wie man das Experiment ausführt, befindet sich das Elektron entweder an Ort A oder an Ort B oder an beiden gleichzeitig.
Das diese Doppeldeutigkeit erklärende Bohrsche Komplementaritäts-Prinzip fordert aber zumindest, dass man nur eine der beiden Erscheinungsformen zu einer gegebenen Zeit in einem gegebenen Experiment beobachten kann - entweder Welle oder Teilchen, aber nicht beides zugleich. Entweder ist ein System in einem Zustand des wellenartigen “Sowohl-als-auch” oder aber des teilchenartigen “Entweder-oder” in Bezug auf seine Lokalisierung.

In jüngster Zeit hat eine Klasse von Experimenten ergeben, dass diese verschiedenen Erscheinungsformen der Materie ineinander überführbar sind, das heißt, man kann von einer Form in die andere schalten und unter bestimmten Bedingungen wieder zurück. Diese Klasse von Experimenten nennt man Quantenmarker und Quantenradierer. Sie haben in den letzten Jahren an Atomen und Photonen und seit jüngstem auch an Elektronen gezeigt, das es ein Nebeneinander von “Sowohl-als-auch” und “Entweder-oder” für alle Formen der Materie gibt, also eine Grauzone der Komplementarität. Es gibt demzufolge experimentell nachweisbare Situationen, in denen die Materie sowohl als Welle aber auch als Teilchen gleichzeitig in Erscheinung tritt.

Beispiele dafür sind die Atom-Interferometrie, wo dieses Verhalten 1997 erstmalig bei Atomen, d.h. zusammengesetzten Teilchen, gefunden wurde. In der Ausgabe [nature, 29. September 2005] berichten die Berliner Max-Planck-Forscher gemeinsam mit Forschern vom California Institute of Technology in Pasadena/USA nun von molekularen Doppelspaltexperimenten. Diese beruhen darauf, dass sich Moleküle mit identischen und damit spiegelsymmetrischen Atomen wie ein von der Natur aufgebauter mikroskopisch kleiner Doppelspalt verhalten. Dazu gehört Stickstoff, wo sich jedes Elektron - auch die hochlokalisierten inneren Elektronen - an beiden Atomen gleichzeitig aufhält. Ionisiert man nun ein solches Molekül etwa mit weicher Röntgenstrahlung, führt diese Eigenschaft zu einer wellenartig streng gekoppelten Emission eines Elektrons von beiden atomaren Seiten, genauso wie im Doppelspaltexperiment mit Einzelelektronen.

Die Experimente wurden von Mitarbeitern der Arbeitsgruppe “Atomphysik” des FHI an den Synchrotronstrahlungslaboren BESSY in Berlin und HASYLAB bei DESY in Hamburg durchgeführt. Die Messungen mittels einer Multi-Detektoranordnung für kombinierten Elektronen- und Ionen-Nachweis fanden hinter so genannten Undulator-Strahlrohren statt, die weiche Röntgenstrahlung mit hoher Intensität und spektraler Auflösung liefern. Quelle: idw

Wenn sich jedes Elektron an zwei Orten gleichzeitig aufhalten kann, wie im vorletzten Absatz angeführt, dann hat das Folgen für unser Weltbild. Welche Folgen das sind, ist im Sachbuch mit dem Titel  Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen näher beschrieben.

Aktives Training: Die Empfindlichkeit der Fingerspitzen wird mit Drahtstiften getestet, danach werden die Hirnströme registriert.

Bei passivem Training und Gabe von Amphetamin (oben,Mitte) ergibt die Hirnstrommessung eine zunehmende Repräsentation des Zeigefingers auf der Hirnoberfläche.

Übung macht den Meister - das gilt auch für Wahrnehmungsleistungen, die sich durch Lernaufgaben kontinuierlich verbessern lassen (perzeptuelles Lernen). Nehmen Testpersonen dazu noch spezielle Medikamente ein, dann verdoppelt sich der Lernerfolg - das zeigen jetzt die beiden Bochumer Forschergruppen von PD Dr. Hubert Dinse (Institut für Neuroinformatik) und Prof. Dr. Martin Tegenthoff (Neurologische Universitätsklinik Bergmannsheil): Die Neurowissenschaftler manipulieren pharmakologisch das perzeptuelle Lernen und zugleich damit verbundene Gehirnveränderungen, die sie durch Hirnstrommessungen erfassen.

Aktives Training: Zwei Drahtstifte - zwei Reize

Perzeptuelles Lernen erfolgt durch stete Wiederholung. So lassen sich Objekte, die in ihrer Oberflächenbeschaffenheit sehr ähnlich sind, mit einiger Übung allein durch Anfassen
voneinander unterscheiden. Diese Fähigkeit zur “taktilen Auflösung” messen die Forscher psychophysisch bei Versuchspersonen, indem diese zwei dünne Drahtstifte tasten müssen, deren Abstand voneinander immer geringer wird. Der kleinste Abstand, bei dem die Versuchsperson noch zwei Drahtstifte wahrnimmt, ist die Zweipunktdiskriminationsfähigkeit. Jeder Mensch hat eine individuelle Zweipunktdiskriminationsschwelle, die sich durch langandauerndes Training herabsetzen lässt.

Lernen durch passives Training

Bereits vor etwa fünfzig Jahren postulierte der kanadische Psychologe Hebb, dass “Gleichzeitigkeit” bzw. “Simultanität” von Ereignissen synaptische Übertragung und damit Lernprozesse verbessert. Diese Erkenntnis setzen die Forscher in ein Stimulationsprotokoll um, dass die natürliche Tastwahrnehmung nachvollzieht: Mit schwachen elektrischen Impulsen reizen sie gleichzeitig und mit einer niedrigen Rate (ein Reiz je Sekunde) kleine Bereiche der Zeigefingerspitzen von Versuchspersonen. Die Reize überträgt eine bewegliche Membran auf dem Zeigefinger der Versuchsperson. Da diese “Coaktivierung” mobil über ein kleines tragbares Kästchen erfolgt, können die Testpersonen dabei “normalen” Tätigkeiten nachgehen. Das Ergebnis: Nach drei Stunden hatte sich die taktile Diskriminationsfähigkeit vorübergehend für einen Zeitraum von 24 Stunden verbessert.

Was beim Lernen im Gehirn passiert

Gleichzeitig erfassen die Forscher mit 32 Elektroden über der gesamten Hirnrinde die beim perzeptuellen Lernen ablaufenden Vorgänge im Gehirn (somatosensorisch evozierte Potenziale). Sie konnten mit der nicht-invasiven Untersuchungstechnik (”neurophysiologisches Mapping”) Lage und Ausdehnung des sensiblen Repräsentationsgebietes der Fingerspitze auf der Hirnoberfläche genau bestimmen: Die Hirnstrommessungen zeigten eine Verschiebung und Vergrößerung der Repräsentation des Zeigefingers auf der Hirnoberfläche, wenn sich die Diskriminationsfähigkeit verbesserte. Das Ausmaß des Lernerfolgs war von Person zu Person unterschiedlich.

Chemie des Lernens

Nur wenige grundlegende chemische Mechanismen kontrollieren die Effizienz von Synapsen, dazu gehört die Gruppe der sog. NMDA-Rezeptoren (N-Methyl-D-Aspartat). Ihre Aktivierung führt über eine Kette komplexer molekularer Vorgänge zu langanhaltenden Veränderungen der Synapseneffizienz, was u. a. als Langzeitpotenzierung (long-term-potentiation LTP) bezeichnet wird. In diesen Vorgängen sehen die Forscher heute die Basis synaptischer Plastizität. Die LTP ist aber auch durch andere Substanzen modulierbar und lässt sich z. B. durch die Neurotransmitter Serotonin und Noradrenalin steigern. Amphetamine, die im Gehirn Substanzen wie Dopamin, Serotonin und Noradrenalin freisetzten, verstärken somit auch die synaptische Plastizität.

Die Tablette für den Lernerfolg

Nun stellte sich die Frage, ob Substanzen, die auf der Ebene der Synapsen das Lernen ermöglichen und verbessern, auch bei Einnahme durch die Versuchspersonen einen solchen positiven Effekt auf das perzeptuelle Lernen haben würden: Mithilfe einer einmaligen Applikation der Substanz Memantine, die den NMDA-Kanal blockiert, eliminierten die Forscher den Lernerfolg zunächst vollständig. Durch Messung der Tastschwellen des linken, nicht-coaktivierten Zeigefingers konnten sie unspezifische Nebenwirkungen des Medikaments ausschließen. Dann erhielten die Testpersonen eine einmalige Gabe Amphetamin (Psychopharmaka), was tatsächlich zu einer Verdoppelung des Lernerfolges führte, ohne Nebenwirkungen auf die Empfindung des nicht-coaktiverten linken Fingers zu verursachen. Die Hirnstrommessungen zeigten entsprechende Veränderungen: Die Blockade des Lernens unter Memantine schränkte die Hirnveränderungen ein, während der doppelte Lernerfolg durch Amphetamin zu einer Ausdehnung der Hirnrepräsentation führte.

Therapieausblick: “Brain-Training”

Die Ergebnisse stehen möglicherweise am Anfang einer neuen Ära, in der sich Gehirnfunktionen und damit das Verhalten durch eine Kombination von Training, Stimulation und medikamentöser Therapie aktiv und gezielt verändern lassen. Das entwickelte Coaktivierungsprotokoll beruht auf einer passiven Stimulation über mehrere Stunden, die zu massiven Änderungen von Gehirnorganisation und Verhalten führte. Dieses passive Training verspricht neue Therapieansätze: Gerade für ältere Menschen oder Patienten mit neurologischen Störungen, z. B. nach einem Schlaganfall oder einer Hirnverletzung. Sie können sich oft nicht ausreichend lange auf die erforderlichen Therapien konzentrieren oder selbst aktiv mitmachen. Der passiv orientierte Therapieansatz spart zudem Kosten - aufgrund seiner geringeren Personalintensität. (Quelle: idw)

Die Entwicklung eines effektiven, mit Sonnenlicht angetriebenen Systems zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gehört heute zu den wichtigsten Herausforderungen der wissenschaftlichen Forschung, insbesondere mit Hinblick auf das Langzeitpotenzial von Wasserstoff als sauberen, umweltfreundlichen Treibstoff. Die existierenden künstlich entwickelten Systeme sind sehr ineffizient und benötigen zumeist den Einsatz zusätzlicher chemischerWirkstoffe, weshalb die Entwicklung neuer Methoden zur Aufspaltung von Wasser so wichtig ist.

Prof. David Milstein und seine Kollegen vom Fachbereich Organische Chemie am Weizmann Institut haben einen einzigartigen Ansatz entwickelt, der wichtige Stufen zur Bewältigung dieser Herausforderung bietet. Das Forschungsteam konnte eine neue Art der Bindungsentstehung zwischen Sauerstoffatomen nachweisen und sogar ihren Mechanismus bestimmen. Den Flaschenhals beim Aufspaltungsprozess von Wasser stellt eigentlich die Erzeugung von Sauerstoffgas durch die Formation einer Bindung zwischen zwei Sauerstoffatomen aus Wassermolekülen dar. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden kürzlich in Science veröffentlicht.

Die Natur hat einen anderen Weg eingeschlagen und dabei ein sehr produktives Verfahren entwickelt: die Photosynthese in den Pflanzen ist die Quelle allen Sauerstoffs auf der Erde. Obwohl es deutliche Fortschritte im Verständnis der Photosynthese gegeben hat, ist noch immer unklar, wie dieses System funktioniert; weltweit bemüht man man sich intensivst - jedoch ohne große Erfolge - um die Entwicklung eines künstlicher photosynthetischer Systeme, welche auf Metallkomplexen basieren, die als Katalysatoren dienen. (Ein Katalysator ist eine Substanz, die eine chemische Reaktion steigern kann, ohne selbst verbraucht zu werden.)

Der neue Ansatz des Weizmann-Teams unterteilt sich in eine Serie von aufeinanderfolgenden thermalen und durch Licht beeinflussten Reaktionen, die zur Freilassung von Wasserstoff und Sauerstoff in Stufen führen. Die Reaktionen werden durch einen einzigartigen Zusatz katalysiert: ein besonderer Metallkomplex, den das Milstein-Team in vorherigen Forschungsstudien entwickelte. Darüber hinaus ist der von ihnen entworfene Metallkomplex, der auf dem Element Ruthenium beruht, ein “schlauer” Komplex, in dem das Metallzentrum und der angeheftete organische Teil bei der Aufspaltung des Wassermoleküls zusammenwirken.

Das Team fand heraus, dass beim Vermischen des Komplexes mit Wasser, die Bindung zwischen einem Wasserstoffatom und dem Sauerstoffatom im Wassermolekül aufbricht, wobei das Wasserstoffatom sich an den organischen Teil anbindet, während das verbliebene Wasserstoff- und Sauerstoffatom (OH-Gruppe) sich an das Metallzentrum des Komplexes binden.

Diese modifizierte Version des Komplexes stellt die Grundlage für den nächsten Abschnitt in dem Verfahren dar: der “Heizabschnitt”. Wenn die Wasserlösung auf 100 Grad Celsius erhitzt wird, wird das Wasserstoffgas aus dem Komplex freigelassen (eine potenzielle Quelle für sauberen Treibstoff ) und eine weitere OH-Gruppe wird dem Metallzentrum hinzugefügt.

“Aber der interessanteste Abschnitt ist der dritte, der “Lichtabschnitt”,” sagt Milstein. “Wenn wir diesen dritten Komplex bei Zimmertemperatur dem Licht aussetzten, wird nicht nur Sauerstoffgas produziert, sondern der Metallkomplex fällt zurück in seinen Ursprungszustand und läßt sich dann für weitere Reaktionen wieder verwenden.”

Diese Ergebnisse sind deshalb so bemerkenswert, weil die Erzeugung einer Bindung zwischen zwei Sauerstoffatomen durch einen künstlich hergestellten Metallkomplex ein sehr seltenes Ereignis ist und bisher unklar war, wie dies überhaupt geschieht. Auch haben Milstein und sein Team es geschafft, einen bisher unbekannten zugrundeliegenden Mechanismus solcher Verfahren zu identifizieren. Weitere Experimente haben gezeigt, dass in diesem dritten Abschnitt Licht die notwendige Energie bietet, um die beiden OH-Gruppen zusammen zu bringen, die dann Wasserstoffperoxid (H2O2) bilden, dass schnell in Sauerstoff und Wasser auseinander bricht. “Weil Wasserstoffperoxid als ein relativ instabiles Molekül bekannt ist, haben Wissenschaftler diesen Abschnitt stets mißachtet und als implausibel erachtet; aber wir haben das Gegenteil bewiesen,” sagt Milstein. Darüber hinaus hat das Forschungsteam gezeigt, dass die Anbindung zwischen den beiden Sauerstoffatomen in einem einzigen Molekül entsteht - und nicht zwischen den Sauerstoffatomen in separaten Molekülen, wie bisher angenommen - und dass sie von einem Metallzentrum ausgeht.

Die Entdeckung eines effizienten künstlichen Katalysators für die von Sonnenlicht angetriebene Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff ist ein Hauptziel der Erforschung erneuerbarer, sauberer Energie. Bisher hat Milsteins Team einen Mechanismus für die Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser vorgeführt, mit Hilfe von Licht und ohne den Einsatz eines chemischen Wirkstoffs. Für ihre nächste Studie planen sie diese Abschnitte miteinander zu verbinden, um ein effektives Katalysatorsystem zu schaffen, das die Erforschung alternativer Energien einen wichtigen Schritt in Richtung ihrer praktischen Anwendung voranbringen soll.