Buckyballs mit Helium-Eiskruste: Kosmische Schneebälle im Labor erzeugt

27. November 2016, 09:00
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Bis zu 32 Helium-Atom bilden auf den C60-Molekülen eine feste Schicht

Innsbruck – Selbst am absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius wird Helium unter Normaldruck nicht fest. Einzig auf geladenen Teilchen kann sich auch bei niedrigem Druck eine feste Heliumschicht bilden. Innsbrucker Physikern ist es nun erstmals gelungen, sogenannte Fullerene, fußballförmige Kohlenstoffmoleküle, mit einer solchen Helium-Eiskruste zu überziehen. Die Messungen an diesen "Schneebällen" liefern wichtige Daten für die Suche nach Fullerenen im Weltall. Die Moleküle könnten eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben.

Die 1985 erstmals nachgewiesenen Fullerene, auch "Buckyballs" genannt, können aus einer verschiedenen Anzahl von Kohlenstoffatomen bestehen. Das am besten erforschte Molekül ist C60. Es besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die in zwölf Fünfecken und 20 Sechsecken angeordnet sind. Erst 2010 wurde erstmals die Existenz von Fullerenen im Weltall nachgewiesen.

Atkins-Schneebälle im Visier

Bereits beobachtet wurde, dass Helium bei der Anlagerung an einfache geladene Teilchen, etwa an Helium plus oder selbst an freie Elektronen, eine feste Schicht ausbilden kann, erklärte Paul Scheier vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck. Die Wissenschafter nennen diese Gebilde "Atkins-Schneebälle".

Was bei der Anlagerung von Helium an geladene Fullerene – üblicherweise sind diese neutral, im Weltraum können sie aber in ionisierter Form vorliegen – passiert, haben die Innsbrucker Physiker um Scheier nun im Detail erforscht. Sie erzeugten dazu ultrakalte Heliumtröpfchen, in die sie C60-Moleküle einlagerten und diese dann ionisierten.

Es zeigte sich, dass bis zu 32 Heliumatome auf einem Fulleren eine feste Eiskruste bilden. Sobald ein 33. Heliumatom dazu kommt, wird es gemeinsam mit einem weiteren bereits vorhandenen Heliumatom quasi flüssig, "das findet man dann überall an der Oberfläche und nicht mehr fix an einem Platz", so Scheier.

Geschichtete Heliumatome

Bis zu 60 Heliumatome kann die erste, energetisch günstige Schale um ein Fulleren aufnehmen. Bei dieser Maximalzahl sind 20 Atome fest und 40 flüssig. Auf diese Schicht passen dann quasi einen Stock höher nochmals 20 Heliumatome. "Sobald das dann voll ist, also ab 80 Atomen, ändert sich das Absorptionsverhalten des Fulleren-Ions nicht mehr", erklärte Scheier.

Jeder Fulleren-Heliumkomplex absorbiert bestimmte Wellenlängen von Licht, hat also ein ganz charakteristisches Absorptionsspektrum. Dieses hängt neben der Anzahl auch stark vom jeweiligen Aggregatszustand der beteiligten Heliumatome ab.

Wie die Forscher im Fachjournal "Nature Communications" berichten, lässt sich das Verfahren relativ einfach auch auf andere molekulare Ionen anwenden, die in interstellaren Wolken vermutet werden, betonte Scheier. So würden etwa Wasserstoff oder kleinere Moleküle wie Methan (CH4) in exakt der gleichen Weise wie Helium auf den Fullerenen gefrieren. Die im Labor ermittelten Absorptionslinien können dann mit den Beobachtungen der Astronomen verglichen werden, wodurch sich die Existenz dieser Ionen im interstellaren Medium bestätigen lässt. (APA, red, 26.11.2016)

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