In einer bahnbrechenden Studie hat ein Forschungsteam der Goethe-Universität Frankfurt belegt, dass das Molekül der Ameisensäure (HCOOH) nicht, wie bislang angenommen, flach ist. Prof. Reinhard Dörner und sein Team zeigten, dass die Atome innerhalb der Ameisensäure minimal hin- und herschwingen, wodurch das Molekül überwiegend dreidimensional ist und seine Symmetrie verliert. Diese Erkenntnis stellt die traditionelle Darstellung von Atomen in chemischen Molekülen als starr in Frage, die in vielen Chemiebüchern zu finden ist.

Das Forschungsteam verwendete zur Bestimmung der räumlichen Struktur der Ameisensäure Röntgenstrahlung am DESY in Hamburg, wobei der photoelektrische Effekt und der Auger-Effekt zur Coulomb-Explosion des Moleküls führten. Diese Prozesse wurden innerhalb von Femtosekunden gemessen, was eine präzise Analyse der Bewegungen der Wasserstoffatome ermöglichte. Die Ergebnisse bestätigen, dass Atomkerne keine festen Kugeln sind, sondern als vibrierende Wolken betrachtet werden müssen.

Chiralität und Quantenphänomene

Ameisensäure zeigt auch chirale Eigenschaften und existiert in linkshändigen und rechtshändigen Formen, welche verschiedene Wirkungen entfalten können. Interessanterweise führt das Quantenzittern dazu, dass aus einem symmetrischen Molekül zwei unterschiedliche spiegelbildliche Realitäten hervorgehen können. Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven in der Forschung zur molekularen Chiralität, die bereits vor 150 Jahren von Louis Pasteur beschrieben wurde.

Die Untersuchung der molekularen Chiralität ist nicht nur von chemischem Interesse. Die Spiegel- oder Reflexionssymmetrie spielt eine fundamentale Rolle in der Physik, insbesondere in der Paritätsverletzung, die in den 1950er Jahren entdeckt wurde. Diese Verletzung führt zu einer kleinen Energiedifferenz zwischen den Grundzuständen chiraler Moleküle, die theoretisch zwischen 100 attoelektronvolt (aeV) und 1 femtoelektronvolt (feV) liegt, aber bisher experimentell schwer nachweisbar war. Diese Herausforderung gilt es noch zu bewältigen, um die fundamentalen Wechselwirkungen besser zu verstehen.

Implikationen für die Biochemie

Die Frage nach der Evolution der Homochiralität – dem bevorzugten Einsatz von l-Aminosäuren in Proteinen und d-Zuckern in DNA – beschäftigt die Wissenschaft seit über einem Jahrhundert. In der Astrobiologie könnte die spektroskopische Detektion von Homochiralität, die durch die neue Erkenntnis der Ameisensäure-Anomalien unterstützt wird, wichtige Hinweise auf extraterrestrisches Leben geben.

Ein tieferes Verständnis der Paritätsverletzung und ihrer Rolle in der Evolution könnte somit weitreichende Implikationen für die chemische und biologisch orientierte Forschung haben. Der aktuelle Stand der Forschung wird in Publikationen wie dem neuesten Artikel von D. Tsitsonis et al. in den Physical Review Letters widergespiegelt.