Das Quanten-Zittern: Warum es in Wirklichkeit keine flachen Moleküle gibt

In traditionellen Chemiebüchern herrscht oft noch eine starre Ordnung: Atome werden als fest platziert und durch unbewegliche Stäbchen verbunden dargestellt. Ein Molekül wie die Ameisensäure (Methansäure, HCOOH) gilt dabei klassisch als planar – also flach wie ein Blatt Papier, wobei sich alle Atome in einer Ebene befinden. Ein Forschungsteam der Goethe-Universität hat nun jedoch gemeinsam mit Kooperationspartnern experimentell nachgewiesen, dass die Atome der Ameisensäure beständig minimal hin- und herschwingen.

Diese kontinuierliche Bewegung führt dazu, dass das Molekül die meiste Zeit nicht flach, sondern dreidimensional ist und dadurch seine Symmetrie verliert. Die Quantenphysik liefert hierfür die Erklärung, da Teilchen gemäß quantenphysikalischer Effekte niemals ruhen. Die Natur verweigert sich somit der Starrheit und zwingt selbst einfachste Strukturen durch diese dynamischen Prozesse in die dritte Dimension.

Die räumliche Vermessung der Ameisensäure

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Reinhard Dörner von der Goethe-Universität hat in Kooperation mit den Universitäten Kassel, Marburg und Nevada sowie dem Fritz-Haber-Institut und dem Max-Planck-Institut für Kernphysik die exakte räumliche Struktur der Ameisensäure entschlüsselt. Für ihre Untersuchung nutzten sie den hochpräzisen Röntgenstrahl der Quelle PETRA III am Beschleunigerzentrum DESY in Hamburg. Dabei machten sie sich zwei physikalische Effekte zunutze: Die Röntgenstrahlung löst zunächst mehrere Elektronen aus dem Molekül (Photoelektrischer und Auger-Effekt), was zu einer starken Aufladung der Atome und schließlich zu einer „Coulomb-Explosion“ führt, bei der das Molekül zerplatzt.

Mithilfe des an der Goethe-Universität entwickelten COLTRIMS-Reaktionsmikroskops gelang es den Forschenden, diese Prozesse im Bereich von Femtosekunden – Millionstel einer Milliardstel Sekunde – nacheinander zu vermessen. Auf Basis dieser Messdaten wurde die ursprüngliche Geometrie des Ameisensäuremoleküls präzise errechnet. Das Ergebnis korrigiert das bisherige Modell: Da die beiden Wasserstoffatome der Ameisensäure minimal hin- und herschwingen, ist das Molekül in der Realität nicht flach.

Ameisensäure bricht die Symmetrie

Reinhard Dörner erklärt: „In der Quantenwelt sind Atomkerne keine winzigen Kugeln, die an ihrem Platz verharren. Sie sind eher wie vibrierende Wolken. Selbst wenn wir ein Molekül bis zum absoluten Nullpunkt abkühlen, hört dieses Zittern – die sogenannte Nullpunktschwingung – niemals auf.“ Die Konsequenz dieser Erkenntnis ist radikal, da ein Atomkern keinen exakten Ort besitzt, sondern lediglich eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Da er gewissermaßen „überall ein bisschen“ ist, erweist sich ein Ameisensäure-Molekül in fast jedem Moment faktisch als dreidimensional.

Durch dieses Verhalten ergibt sich eine weitreichende physikalische Besonderheit, wie Dörner ausführt: „Durch diesen winzigen Schritt in die dritte Dimension verliert das Molekül seine Symmetrie, und es lässt sich nicht mehr mit seinem Spiegelbild in Deckung bringen, ähnlich wie das mit unserer linken und rechten Hand ist. Die Ameisensäure ist chiral – sie besitzt in der Hälfte der Zeit eine linkshändige und in der anderen Hälfte eine rechtshändige Form.“

Dynamische Chiralität durch Quantenzittern

In der Chemie können zwei solche chiralen Formen – sogenannte „Enantiomere“ – völlig unterschiedliche Wirkungen entfalten: Während die eine Form eines Moleküls als Heilmittel fungiert, kann ihr Spiegelbild gänzlich wirkungslos sein. Üblicherweise resultiert diese Händigkeit aus dem festen strukturellen Aufbau eines Moleküls. Dörner erläutert jedoch: „Wie wir am Beispiel der Ameisensäure zeigen konnten, kann allein das Quantenzittern aus einem symmetrischen Molekül zwei unterschiedliche spiegelbildliche Realitäten erzeugen.“

Dies rückt die Entstehung fundamentaler Eigenschaften in ein neues Licht. „Das bedeutet: Die Händigkeit, eine wichtige Eigenschaft des Lebens, entsteht hier nicht durch den statischen Bauplan des Moleküls, sondern allein durch das unaufhörliche Zittern in der Quantenwelt“, so Dörner weiter. Abschließend hält er fest: „Generell konnten wir anhand der Ameisensäure sehen: Geometrie ist keine statische Eigenschaft, sondern ein dynamisches Ereignis, und ein flaches Molekül ist in Wirklichkeit nur der Durchschnittswert eines Zitterns seiner Atome in alle Richtungen.“

Quelle

Goethe-Universität Frankfurt am Main (02/2026)